Наиболее характерная черта, отличающая ферменты от других катализаторов — высокая специфичность их действия. Активный центр ферментов, как и других белков, образован боковыми группами аминокислотных остатков пептидной цепи. Строение активных центров ферментов, катализирующих разные реакции, различно. Структура активного центра фермента комплементарна структуре его субстрата, вследствие чего данный фермент из множества веществ, имеющихся в живой клетке, присоединяет только свой субстрат. Эту особенность называют субстратной специфичностью фермента. Например, структура активного центра фермента гистидазы комплементарна структуре аминокислоты гистидина, поэтому возможно образование фермент-субстратного комплекса гистидаза—гистидин; другие вещества, в том числе аминокислоты, не связываются гистидазой.
Кроме того, часть функциональных групп активного центра ферментов имеет такое строение и реакционную способность, что обеспечивается химическое превращение субстрата в новые вещества — продукты ферментативной реакции. Каждый фермент катализирует не любое из всех возможных химических превращений субстрата, а какое-либо одно. Назовем это свойство специфичностью пути превращения.Жиры — это группа соединений, отдельные представители которых различаются природой жирно-кислотных остатков (радикалов R). Липаза расщепляет жиры, включающие разные жирно-кислотные остатки. Другой пример групповой специфичности — действие ферментов, гидролизующих пептиды и белки: многие из этих ферментов расщепляют пептидные связи, образованные разными аминокислотами.
Пространственная структура стереоизомеров вещества различна, поэтому активный центр фермента, комплементарный одному стереоизомеру, не обязательно будет комплементарен и другим стереоизомерам. В связи с этим многие ферменты катализируют превращение лишь одного из стереоизомеров — стереоспецифич-ность. Например, малеиновая кислота, являющаяся г^оизомером фумаровой кислоты (рис. 2.3), не может быть субстратом фумаразы.
Пища человека содержит множество химических соединений, как органических, так и минеральных (табл. 6.2). Главную долю органических веществ пищи составляют углеводы, жиры, белки — основные пищевые вещества. Часть органических веществ — это минорные пищевые вещества, требующиеся в малых количествах; к ним принадлежат, в частности, витамины.
Основные пищевые вещества большей частью представляют собой полимеры. В желудочно-кишечном тракте они гидролизуются при участии ферментов класса гидролаз на мономеры: в этом заключается суть пищеварения. В процессе пищеварения происходит уменьшение разнообразия веществ: из бесчисленного количества белков разного строения, полисахаридов, жиров получается 20 разных аминокислот, небольшое число моносахаридов (главным образом глюкоза, фруктоза, галактоза), глицерин, жирные кислоты (главным образом олеиновая, стеариновая, пальмитиновая). Мономеры как низкомолекулярные вещества значительно легче проникают через клеточные мембраны кишечного эпителия (полимеры практически не всасываются). С кровью мономеры транспортируются во все органы и ткани и используются клетками.
Пищевые вещества могут быть заменимыми и незаменимыми. Заменимые — это те, которые могут образоваться в организме из других веществ. Например, клетки человека могут синтезировать любой необходимый им моносахарид из аминокислот, жиры могут образоваться из углеводов, некоторые аминокислоты образуются из других аминокислот или из углеводов.
Незаменимые пищевые вещества не синтезируются из других веществ и поэтому должны содержаться в пище в готовом виде. К незаменимым относятся все минеральные компоненты, а также витамины, некоторые аминокислоты (гл. 11) и некоторые жирные кислоты (гл. 10).
Человек, как и все гетеротрофные организмы, получает энергию за счет разложения органических веществ пищи. Органические вещества в условиях поверхности Земли являются термодинамически нестабильными: они самопроизвольно (необратимо) распадаются. Самопроизвольные процессы — это экзергоничес-кие процессы, т. е. они сопровождаются уменьшением свободной энергии (-AG), и поэтому могут служить источниками энергии для функционирования живой клетки. В результате самопроизвольного распада в конечном счете образуются термодинамически стабильные продукты. Такими конечными продуктами распада пищевых веществ в организме человека являются диоксид углерода и вода. Еще один из основных конечных продуктов обмена — это мочевина. Она не относится к числу термодинамически стабильных веществ; образование мочевины связано с энергетическим обменом лишь косвенно и служит для выведения избытка азота из организма, поэтому синтез мочевины подробнее рассматривается в связи с обменом аминокислот в гл. 11.
Термодинамически нестабильные вещества могут быть достаточно стабильными кинетически. Например, глюкоза вне организма может сохраняться столетиями, в то время как в организме человека ежесуточно распадается примерно 0,5 кг глюкозы. Кинетическая стабильность в живой клетке преодолевается в результате ферментативного катализа. Основными веществами, за счет которых организм человека обеспечивается энергией, служат углеводы и жиры пищи (табл. 8.1). Меньшее значение имеют белки, однако при преимущественно белковом питании и при голодании их роль значительно возрастает.В углеводах, жирах и белках (аминокислотах) содержание кислорода меньше, чем в конечных продуктах их распада. Иначе говоря, катаболизм этих веществ связан с потреблением кислорода и реакциями окисления. В этом и состоит сущность дыхания, впервые объясненная Лавуазье.
При синтезе многих соединений в живой клетке происходят реакции восстановления путем гидрирования. Источником водорода для восстановительных синтезов служат некоторые метаболиты цитратного цикла, а промежуточным переносчиком водорода в таких реакциях является НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфос-фат). Механизм участия НАДФ в реакциях переноса водорода такой же, как и у НАД: один протон и два электрона присоединяются к пиридиновому циклу остатка никотинамида, один протон остается в растворе. Однако биологические функции НАДФ и НАД различны.
Метаболит цитратного цикла — яблочная кислота, может дегидрироваться с участием НАДФ-зависимой дегидрогеназы. НАДФ-зависимая малатдегидрогеназа (малик-фермент) локализована в цитозоле клетки. В отличие от митохондриаль-ной НАД-зависимой малатдегидрогеназы (см. рис. 8.13, реакция 10), НАДФ-зависимая малатдегидрогеназа катализирует одновременно с дегидрированием и декарбоксилирование малата:НАДФН, в отличие от НАДН, не может передавать водород в дыхательную цепь: водород НАДФН используется в восстановительных реакциях. Особенно много восстановительных реакций происходит при синтезе жирных кислот и стероидов; в органах с интенсивным синтезом этих веществ (печень, жировая ткань, кора надпочечников) высока и активность НАДФ-зависимых дегидрогеназ. Малат поставляет примерно половину всего водорода, используемого в восстановительных синтезах; другая половина образуется в пентозофосфатном пути распада глюкозы (см. гл. 9).
При восстановительных синтезах энергия высокоэнергетического водорода НАДФН не теряется: она сохраняется во вновь синтезированных веществах и во многих случаях может быть использована при их катаболизме. Особенно важное значение имеет такая трансформация энергии при превращении углеводов, поступающих с пищей, в жиры, депонируемые в жировой ткани (см. гл. 9 и 10).
Природные жиры представляют собой смесь триацилглицеринов, различающихся по жирно-кислотному составу. Обычно в жирах обнаруживают смешанные три-ацилглицерины, т. е. содержащие в одной молекуле остатки разных жирных кислот, содержащие в одной молекуле остатки разных жирных кислот, например 1-олеил-2-пальмитил-3-стеарилглицерин, 1,3-диолеил-2-пальмитилглицерин и т. п. В триацилглицеринах человека содержится много ненасыщенных жирных кислот (см. табл. 10.3), поэтому жир человека имеет низкую температуру плавления — 10-15 °С; таким образом, в клетках он находится в жидком состоянии.
Жиры нерастворимы в воде, и с этим связан ряд особенностей их обмена, в частности необходимость специальных механизмов транспорта с кровью и лимфой, а также возможность депонирования в клетках, подобно гликогену. Биологическая функция жиров тоже подобна функции гликогена: оба эти вещества служат формами запасания энергетического материала.Жиры, наряду с белками и углеводами, относятся к основным пищевым веществам человека. Суточная потребность в них составляет 50-100 г. Жиры обеспечивают до 50 % потребности организма в энергии.
Переваривание жиров происходит в тонком кишечнике. В двенадцатиперстную кишку поступает желчь и сок поджелудочной железы, необходимые для переваривания жиров. В соке поджелудочной железы содержится липаза, гидролизую-щая сложноэфирную связь в триацилглицеринах. Под действием липазы жирные кислоты отщепляются от триацилглицерина одна за другой, сначала от а-углерод-ных атомов, потом от р-углеродного атома (рис. 10.11).
Поскольку жиры нерастворимы в водных средах, а липаза нерастворима в жирах, то гидролиз происходит лишь на поверхности раздела этих фаз и, следовательно, скорость переваривания зависит от площади этой поверхности.
Всасываться в клетки могут все продукты переваривания, а в очень небольшой мере — и нерасщепленные жиры. Однако большая часть триацилглицеринов распадается до р-моноацилглицеринов, на долю которых приходится примерно 3/4 всех всасывающихся продуктов. Продукты переваривания жиров вместе с желчными кислотами и фосфолипидами желчи образуют смешанные мицеллы, и затем все компоненты мицелл проникают в клетки слизистой кишечника.
Желчные кислоты затем поступают в кровь, а с ней — в печень и повторно участвуют в образовании желчи. Часть желчных кислот не всасывается и выводится с калом (0,2-0,5 г в сутки). Глицерин как водорастворимое вещество всасывается без участия желчи.
При нарушении желчеобразования или выделения желчи (например, вследствие закупорки желчного протока желчным камнем, опухолью) условия переваривания жиров и всасывания продуктов гидролиза ухудшаются, и значительная их часть выводится с калом (стеаторея). Жирорастворимые витамины при этом также не всасываются, что приводит к развитию гиповитаминоза.Часть углеводов, поступающих с пищей, превращается в организме в жиры, особенно если количество углеводов превышает необходимое для возобновления запасов гликогена в печени и мышцах. Схема этого превращения представлена на рис. 10.15. Глюкоза служит источником ацетил-КоА, из которого синтезируются жирные кислоты. Необходимый для восстановительных реакций НАДФН поставляется за счет окисления глюкозы в пентозофосфатном пути, а также за счет дегидрирования яблочной кислоты НАДФ-зависимой малатдегидрогеназой. Глице-рол-3-фосфат получается путем восстановления диоксиацетонфосфата — промежуточного продукта гликолиза (рис. 10.16).
Таким образом, из глюкозы образуется все, что необходимо для синтеза жиров.
Синтез триацилглицеринов из глицерол-3-фосфата и ацил-КоА представлен на рис. 10.17. Синтез жиров из углеводов наиболее активно происходит в печени, жировой ткани и лактирующих молочных железах.Поскольку жиры и другие липиды нерастворимы или очень малорастворимы в воде и в жидкостях организма, необходимы специальные механизмы для транспорта этих веществ кровью. Транспорт осуществляется в составе особых частиц — липопроте-инов. Липопротеины — многомолекулярные структуры. Они представляют собой сферические частицы, поверхностная часть которых образована монослоем ориентированных фосфолипидов и белками (аполипопротеинами). Фосфолипиды гидрофильными концами образуют наружную поверхность, а гидрофобные концы «растворены» в липидной фазе внутри частиц (рис. 10.18). Эта внутренняя липидная фаза содержит в основном триацилглицерины и эфи-ры холестерина.
В крови содержится несколько форм липопротеинов; основные из них — хиломикроны, липопротеины очень низкой плотности (ЛОНП), липопротеины низкой плотности (ЛНП) и липопротеины высокой плотности (ЛВП). Липопротеины различаются по составу и содержанию липидов и белков
(табл. 10.3). Приведенные в таблице величины имеют лишь ориентировочный характер, поскольку в процессе функционирования липопротеинов их состав непрерывно изменяется.
В эндотелии капилляров мышц (скелетных и сердечной) и жировой ткани имеется фермент липопротеинлипаза, гидролизующий жиры липопротеинов. Липопротеинлипаза синтезируется в адипоцитах, клетках сердечной и скелетных мышц и некоторых других органах, секретируется и прикрепляется к наружной поверхности эндотелиальных клеток капилляров, непосредственно контактирует с кровью.
Липопротеинлипаза имеет центр связывания липопротеинов и каталитический центр для гидролиза жиров. Гидролиз активируется аполипопротеином С-П, который содержится в хиломикронах и ЛОНП. Таким образом, гидролиз жиров происходит в комплексе, включающем липопротеин, липопротеинлипазу и внутреннюю поверхность капилляра. Жирные кислоты, образующиеся в результате гидролиза жиров, с помощью этого комплекса поступают в клетки, питаемые данным капилляром (в адипоциты — в жировой ткани, в миоциты — в мышечной ткани и т. д.).
Хиломикроны, циркулирующие в крови, постепенно освобождаются от триацилглицеринов (в результате контактов с липопротеинлипазой) и превращаются в остаточные хиломикроны, которые содержат очень мало триацилглицеринов и много холестерина. Остаточные хиломикроны (а частично и цельные) поглощаются клетками печени.Такой же путь превращений проходит примерно половина ЛОНП. Другая половина ЛОНП в крови превращается в ЛНП, которые поглощаются как гепа-тоцитами, так и многими другими клетками.
Хиломикроны и ЛОНП распределяют по органам и тканям 70-150 г жиров за сутки, причем 2/3 этого количества приходится на долю хиломикронов, распределяющих экзогенные жиры (поступающие с пищей), и 1 /ъ — на долю ЛОНП, распределяющих эндогенные жиры (синтезируемые в печени).
Концентрация жиров в крови. Жиры в крови находятся только в составе липопротеинов, главным образом в хиломикронах и ЛОНП. В норме концентрация жиров в крови колеблется в довольно широких пределах — 10-200 мг/дл, в среднем около 0,1 %. Отметим для сравнения, что концентрация жиров в молоке равна примерно 3 %.
После приема пищи концентрация хиломикронов в крови повышается, достигает максимума примерно через 5 ч, затем начинает снижаться. Сходным образом, но с меньшей амплитудой изменяется концентрация ЛОНП в крови. При этом надо отметить, что концентрация хиломикронов в большей мере зависит от содержания жиров в пище, а концентрация ЛОНП — от содержания углеводов. В крови, взятой для анализа утром до завтрака, т. е. после большого ночного перерыва в приеме пищи, хиломикроны не обнаруживаются, а концентрация ЛОНП минимальна. Пропорционально концентрации этих липопротеинов снижена и концентрация жиров в крови.При обычном ритме питания и небольших физических нагрузках в крови в дневное время постоянно имеются хиломикроны и ЛОНП, поскольку время переваривания жиров мало отличается от времени между приемами пищи. Эти липопротеины обеспечивают ткани жирными кислотами, поэтому необходимости мобилизации жиров, депонированных в жировой ткани, не возникает, за исключением, может быть, короткого утреннего (до завтрака) промежутка времени. При значительной и продолжительной физической работе происходит мобилизация жиров жировой ткани и в дневное время.
Регуляция синтеза и распада жиров в печени. В клетках печени есть активные ферментные системы и синтеза, и распада жиров. Регуляция обмена жиров в значительной мере определяется регуляцией обмена жирных кислот, но не исчерпывается этими механизмами.
Синтез жирных кислот и жиров активируется при пищеварении, а их распад — в постабсорбтивном состоянии и при голодании. Кроме того, скорость использования жиров пропорциональна интенсивности мышечной работы. Регуляция обмена жиров тесно сопряжена с регуляцией обмена глюкозы. Как и в случае обмена глюкозы, в регуляции обмена жиров важную роль играют гормоны инсулин, глюкагон, адреналин и процессы переключения фосфорилирования-дефосфори-лирования белков.
Напомним, что в печени после приема пищи ускоряется аэробный гликолиз и образование ацетил-КоА и оксалоацетата, а из них — цитрата (рис. 10.22; см. также рис. 10.5). Повышение концентрации цитрата активирует цикл переноса ацетильных остатков в цитозоль. В цитозоле в результате активации ацетил-КоА-карбоксилазы путем дефосфорилирования (см. рис. 10.10) ускоряется синтез жирных кислот. Одновременно стимулируется образование НАДФН в результате реакции малат -» пируват, а также в результате активации пентозофосфатного пути (инсулин индуцирует синтез глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы). Жирные кислоты и глицерол-3-фосфат, образующийся тоже из глюкозы, превращаются в жиры, которые в печени упаковываются в ЛОНП и секретируются в кровь, а в жировой ткани пополняют запасы жира в адипоцитах. Таким образом в печени и в жировой ткани при пищеварении одновременно активируются гликолиз и синтез жиров из глюкозы. Перенос ацил-КоА в митохондрии не происходит вследствие высокой концентрации малонил-КоА, который ингибирует карни-тин-ацилтрансферазу (см. рис. 10.22); следовательно, не происходит и [3-окис-ление жирных кислот.
Липопротеины в крови имеются постоянно, но их концентрация меняется в зависимости от ритма питания. За нормальное принимают содержание липопротеинов у здоровых людей через 10-12 ч после еды (постабсорбтивное состояние; кровь для анализа берут утром до завтрака). В этом состоянии в крови здоровых людей отсутствуют хиломикроны и обнаруживаются только ЛОНП (около 15 % от всех липопротеинов), ЛНП (60 %) и ЛВП (25 %) — см. табл. 10.6.
Практически весь холестерин и все жиры плазмы крови находятся в липопротеинах. В норме содержание холестерина в крови равно 200 ± 50 мг/дл (сумма свободного и этерифицированного холестерина); содержание жиров 100 ± 90 мг/дл. При повышенном содержании липопротеинов в крови (гиперлипопротеинемии) одновременно повышено содержание холестерина и жиров. Концентрация холестерина в большей мере связана с концентрацией ЛНП и ЛВП, а жиров — с концентрацией хиломикронов или ЛОНП. В связи с этим различают три формы гиперлипопротеинемии:
1) гиперхолестеринемия (повышена концентрация ЛНП или ЛВП);
2) гипертриацилглицеринемия (повышена концентрация хиломикронов или ЛОНП);
3) смешанная форма.
Гиперлипопротеинемии — очень распространенные нарушения обмена: они обнаруживаются примерно у каждого десятого человека. Главная опасность гипер-липопротеинемий связана с тем, что повышается вероятность возникновения атеросклероза.
Известно около полусотни мутаций в гене рецептора ЛНП (он же рецептор В/Е). Их можно разделить на пять классов:
1) не образуется рецептор;
2) нарушена посттрансляционная достройка;
3) снижено сродство к лигандам;
4) нарушена способность к эндоцитозу;
5) нарушена диссоциация комплекса ЛНП-рецептор в эндосомах, ЛНП не разрушается.
Семейная гиперхолестеринемия ((3-липопротеинемия) связана с полной или частичной утратой способности печени удалять из кровотока ЛНП вследствие дефекта ЛНП-рецептора. Вследствие этого в крови повышается концентрация ЛНП, а также холестерина, поскольку его много в ЛНП. Концентрация холестерина в крови может достигать 1000 мг/дл (норма 200 ± 50 мг/дл). Поэтому для р-липопротеинемии характерны отложение холестерина в тканях, в частности в коже (ксантомы), и атеросклеротические изменения артерий, высокая частота ишемической болезни сердца и инфаркта миокарда, который у таких больных может быть в очень раннем возрасте, даже в 10 лет.
Вторичные (не врожденные) гиперлипопротеинемии — обычное явление при таких хронических заболеваниях, как сахарный диабет, нефрозы, гепатиты, хронический алкоголизм.