23.2 Специфіка метаболізму в тканинах: розмежування функцій

Кожна тканина людського орґанізму виконує спеціалізовану функцію, що знаходить відображення у її анатомічній будові та метаболічній активності (Рис. 23-12). Скелетні м ’язи забезпечують спрямовані рухи; жирова тканина запасає та постачає енергію у вигляді жирів, які слугують джерелом «палива» для інших орґанів; у тканині мозку відбувається переміщення іонів через плазматичну мембрану, внаслідок чого виникають електричні сиґнали. Печінка відіграє центральну роль у переробці та розподілі продуктів метаболізму, забезпечуючи через кровоносну систему всі інші орґани і тканини необхідною сумішшю поживних речовин. Функціональна значимість печінки відображається у тому, що інші тканини і орґани загальноприйнято називати “позапечінковими” або “периферійними”. Тому ми почнемо обговорення теми розподілу метаболічних функцій з характеристики перетворення вуглеводів, амінокислот та жирів у печінці ссавців. Після цього коротко зупинимось на основних метаболічних функціях жирової тканини, м’язів, мозку та середовища, яке взаємопов’язує усі ці тканини, а саме крові.

Печінка перетворює та розподіляє поживні речовини

У процесі травлення в орґанізмі ссавців три основні класи поживних речовин (вуглеводи, протеїни та жири) зазнають ензиматичного гідролізу до простих складових. Необхідність такого розщеплення пояснюється тим, що епітеліальні клітини, які вистилають порожнину кишковика, здатні поглинати лише відносно невеликі молекули. Значна кількість жирних кислот та моноацилґліцеролів, які вивільнюються під час перетравлювання жирів у кишковику, реасоціюють всередині цих епітеліальних клітин з утворенням триацилґліцеролів (ТАҐ).

Більша частина поглинених цукрів та амінокислот, а також певна частина ТАГ, переносяться кров’ю до печінки, а решта ТАГ - лімфатичною системою до жирової тканини. Прямий шлях від орґанів травлення до печінки забезпечує ворітна вена, тому печінка першою має доступ до перетравлених поживних речовин. Печінка складається з двох головних типів клітин: клітин Купфера та гепатоцитів. Клітини Купфера - це фагоцити, важливі для імунної функції. У гепатоцитах, які нас цікавлять головним чином, відбувається перетворення поживних речовин на «паливо» і попередники, необхідні для інших тканин, а також їх виведення у кровотік. Тип та кількість поживних речовин, які надходять у печінку, залежать від кількох факторів, зокрема, від харчового раціону та проміжку часу між прийомами їжі. Потреба позапечінкових тканин в енергозбагачених молекулах і попередниках відрізняється залежно від орґану, активності та загального харчового статусу орґанізму.

Унаслідок надзвичайної пластичності свого метаболізму печінка здатна адекватно функціонувати в умовах, які постійно змінюються. Наприклад, якщо харчові продукти збагачені на протеїни, то у гепатоцитах синтезується значна кількість ензимів, які здійснюють катаболізм амінокислот та ґлюконеоґенез. Упродовж декількох годин після переходу на вуглеводну дієту вміст цих ензимів падає і починається синтез ензимів, необхідних для метаболізму вуглеводів та утворення жирів. Швидкість оновлення ензимів (тобто їх синтезу і деградації) у печінці в п'ять-десять разів вища, ніж в інших тканинах, наприклад м'язах. Позапечінкові тканини також змінюють свій метаболізм відповідно до умов, однак жодна з них не здатна пристосуватися настільки ефективно, як печінка, і не відіграє такої ж центральної ролі у загальному метаболізмі організму. Тому далі ми розглянемо шляхи перетворення цукрів, амінокислот та ліпідів, які надходять у печінку з кровоносного русла. А щоб допомогти вам пригадати винесені на розгляд метаболічні перетворення, у табл. 23-2 описано головні метаболічні шляхи та процеси, на які ми посилатимемося, і номер рисунка, на якому кожен шлях зображено детально. Тут ми наводимо узагальнені шляхи з посиланням на етапи, пронумеровані на рис. 23-13, 23-14 та 23-15.

Цукри. Транспортер глюкози у гепатоцитах (GLUT2) працює настільки ефективно, що концентрація її всередині гепатоциту практично така ж, як і у крові. Ґлюкоза, що надходить у гепатоцити, фосфорилюється гексокіназою IV (ґлюкокіназою) з утворенням ґлюкозо-6-фосфату. Ґлюкокіназі властива набагато вища К_м щодо ґлюкози (10 мМ), ніж ізозимам гексокінази в інших клітинах ( стр. ), і, на відміну від цих ізозимів, вона не інгібується своїм продуктом - ґлюкозо-6-фосфатом. Наявність ґлюкокінази дозволяє гепатоцитам продовжувати фосфорилювання ґлюкози навіть у випадку, коли її концентрація перевищує ті рівні, за яких активність інших гексокіназ повністю інгібується. Високе значення К_м ґлюкокінази також сприяє тому, що за умови низької концентрації глюкози фосфорилювання її у гепатоцитах є мінімальним, а це запобігає використанню печінкою ґлюкози як джерела енергії у процесі гліколізу і зберігає її для інших тканин. Фруктоза, ґалактоза та манноза, які всмоктуються з тонкого кишковика, також перетворюються на ґлюкозо-6-фосфат у каталізованих ензимами шляхах, описаних у розділі 14. Отже, глюкозо-6-фосфат перебуває на перехресті шляхів перетворення вуглеводів у печінці. Залежно від метаболічних потреб орґанізму на даний момент часу ця сполука може бути задіяна у будь-якому із наведених на рис. 23-13 головних метаболічних шляхів. Завдяки дії різноманітних ензимів, активність яких реґулюється алостерично, та існуванню механізмів гормональної реґуляції синтезу і активності ензимів, печінка спрямовує потік ґлюкози на один чи декілька із цих шляхів.

 Глюкозо-6-фосфат дефосфорилюється під дією ґлюкозо-6-фосфатази, внаслідок реакції утворюється вільна ґлюкоза ( стр. ), яка експортується для поповнення вмісту її у крові. Такий шлях перетворення є головним за умови обмеженої кількості ґлюкозо-6-фосфату, оскільки концентрація ґлюкози у крові повинна підтримуватися на достатньо високому рівні (4 мМ), щоб забезпечити енерґією мозок та інші тканини.  Якщо немає такої необхідності у використанні глюкозо-6-фосфату, то він перетворюється у печінці на ґлікоґен, або метаболізується іншими шляхами. Після розщеплення ґлюкозо-6-фосфату у процесі ґліколізу і декарбоксилювання пірувату (під дією піруватдегідроґенази)  утворений ацетил-CoA може окиснюватися у циклі лимонної кислоти з виділенням енерґії, що супроводжується перенесенням електронів та окисним фосфорилюванням з утворенням ATP. (Однак у нормі джерелом енерґії у гепатоцитах є переважно жирні кислоти).  Ацетил-CoA може також бути попередником у синтезі жирних кислот, які входять до складу ТАГ, фосфоліпідів та холестеролу. Значна частина синтезованих у печінці ліпідів переноситься до інших тканин у складі ліпопротеїнів крові.  Зрештою, глюкозо-6-фосфат може надходити у пентозофосфатний шлях, у ході якого утворюються відновник (NADPН), необхідний для біосинтезу жирних кислот та холестеролу, і D-рибозо-5-фосфат - попередник у реакціях біосинтезу нуклеотидів. NADPH також виступає важливим кофактором у процесах детоксикації і видалення багатьох медикаментів та інших ксенобіотиків, що зазнають метаболізму у печінці.

Амінокислоти Амінокислоти, які потрапляють до печінки, перетворюються декількома основними метаболічними шляхами ( Рис. 23-14).  Вони використовуються для біосинтезу протеїнів, що описано у розділі 27. Печінка постійно оновлює свої протеїни, причому з дуже високою швидкістю (період їх напіврозпаду становить у середньому лише декілька днів); окрім того, печінка є місцем синтезу більшості протеїнів плазми крові.  Амінокислоти можуть переноситися системою кровообігу до інших орґанів, в яких вони також використовуються для біосинтезу тканинних протеїнів.  Інші амінокислоти виконують роль попередників у біосинтезі нуклеотидів, гормонів та певних азотовмісних сполук як у печінці, так і в інших тканинах.

(4а) Амінокислоти, не використані у біосинтетичних процесах, зазнають трансамінування або дезамінування і розпадаються з утворенням пірувату та проміжних сполук циклу лимонної кислоти, які далі перетворюються різними шляхами; (4б) вивільнений аміак перетворюється на сечовину, яка виводиться з організму.  Піруват може перетворюватися на ґлюкозу і ґлікоґен шляхом ґлюконеоґенезу чи  на ацетил-CoA, який  може або окиснюватися у циклі лимонної кислоти і ) окисного фосфорилювання з утворенням ATP, або

 перетворюватися на ліпіди, які відкладаються у запас.  Проміжні сполуки циклу лимонної кислоти можуть використовуватися і для синтезу ґлюкози шляхом ґлюконеоґенезу.

У печінці також метаболізуються амінокислоти, які час від часу поступають з інших тканин. Як правило, у кров надходить достатня кількість ґлюкози відразу після перетравлення та всмоктування вуглеводів їжі, а також і у період між прийомами їжі, коли на ґлюкозу перетворюється ґлікоґен печінки. У період між прийомами їжі, особливо коли він досить тривалий, відбувається розщеплення до амінокислот деяких протеїнів м’язів. Ці амінокислоти віддають свої аміногрупи (у реакції трансамінування) продукту ґліколізу - пірувату, внаслідок чого утворюється аланін, який (11) транспортується до печінки і дезамінується. Гепатоцити перетворюють утворений піруват на ґлюкозу (у ході ґлюконеоґенезу ), яка надходить у кров, а аміак включається до складу сечовини і виводиться з орґанізму. Одним з наслідків цього ґлюкозо-аланінового циклу (див. Рис. 18-9) є згладження коливань рівня ґлюкози в крові між прийомами їжі. Нестача амінокислот, що виникає у м’язах, поповнюється завдяки амінокислотам, які всмоктуються під час наступного прийому їжі.

Ліпіди. Жирні кислоти, що надходять до гепатоцитів у складі ліпідів, також перетворюються декількома відмінними шляхами ( Рис. 23-15).  Деякі з них включаються до складу ліпідів печінки.  У більшості випадків жирні кислоти виконують роль основних субстратів для окиснення і забезпечення клітин печінки енерґією. Вільні жирні кислоти можуть активуватися та окиснюватися з утворенням ацетил-CoA і NADH.  і  Ацетил-CoA далі окиснюється у циклі лимонної кислоти з вивільненням енергії, що використовується на синтез ATP у ході окисного фосфорилювання.  Надлишок ацетил-CoA, вивільненого у ході окиснення жирних кислот і не використаного печінкою, перетворюється на кетонові тіла - ацетоацетат та β-гідроксибутират, які переносяться кровотоком до інших тканин, де слугують джерелом енергії для циклу лимонної кислоти. Кетонові тіла можна розглядати як форму транспортування ацетильних груп. Їхній внесок в енерґетичне забезпечення деяких позапечінкових тканин може бути дуже значним - наприклад, вони задовольняють до третини енерґетичних потреб тканини серця і 60-70% - тканини мозку під час тривалого голодування.  Частина ацетил-CoA, утвореного з жирних кислот (та з ґлюкози) використовується для біосинтезу холестеролу, необхідного для побудови мембран. Окрім того, холестерол є попередником усіх стероїдних гормонів, а також жовчних солей, важливих для перетравлення та всмоктування ліпідів.

Два останні шляхи метаболізму ліпідів пов’язані зі специфічними механізмами транспортування нерозчинних ліпідів у складі крові.  Жирні кислоти перетворюються на фосфоліпіди та ТАГ ліпопротеїнів плазми крові, які переносять ліпіди до жирової тканини для запасання у вигляді ТАГ. Частина вільних жирних кислот зв’язується з альбуміном сироватки крові і переноситься кровотоком до серцевих та скелетних м’язів, які поглинають їх та використовують у ролі джерела енергії. Альбумін сироватки належить до найпоширеніших протеїнів плазми крові, одна його молекула може переносити до 10 молекул вільних жирних кислот до тканини-споживача, де вони вивільняються і поглинаються.

Таким чином, печінка в орґанізмі виконує роль розподільчого центру, який спрямовує поживні речовини у потрібних пропорціях до інших орґанів, згладжує коливання в обміні речовин, спричинені нерівномірним споживанням їжі, а також перетворює надлишок аміногруп у сечовину та інші продукти, які виводяться нирками. У печінці запасаються деякі поживні речовини, зокрема іони Fe і вітамін А, а також відбувається детоксикація чужорідних орґанічних сполук, таких як ліки, харчові добавки, консерванти та інші потенційно шкідливі речовини, що не мають харчової цінності. Детоксикація часто включає гідроксилювання відносно нерозчинних орґанічних сполук за участю цитохрому Р-450, що робить їх достатньо розчинними для подальшого розщеплення і виведення з орґанізму ( Див. Додаток 21-1).

Жирова тканина запасає і постачає жирні кислоти

Жирова тканина складається з адипоцитів (жирових клітин) ( Рис. 23-16), має аморфну структуру і поширена по всьому орґанізму: під шкірою, навколо кровоносних судин, у черевній порожнині тіла. Частка жирової тканини в орґанізмі дорослої молодої людини складає близько 15% від маси тіла, близько 65% від маси жирової тканини припадає на триацилґліцероли. Для адипоцитів характерна дуже висока метаболічна активність, вони швидко реаґують на гормональні сиґнали і тісно взаємодіють на метаболічному рівні з печінкою, скелетними м’язами та серцем.

Як і у клітинах інших типів, в адипоцитах відбуваються процеси активного ґліколітичного метаболізму, окиснення пірувату та жирних кислот у циклі лимонної кислоти і окисного фосфорилювання. У випадку надходження значної кількості вуглеводів ґлюкоза у жировій тканині перетворюється (через піруват та ацетил-CoA) на жирні кислоти, які використовуються для синтезу ТАГ, що накопичуються у вигляді великих жирових глобул; однак в орґанізмі людини більша частина жирних кислот синтезується не в адипоцитах, а в гепатоцитах. У адипоцитах запасаються ТАГ, які надходять з печінки ( у складі ЛДНЩ крові; див. Рис. 21-40а) та кишкового тракту (перенесені хіломікронами), особливо після споживання жирної їжі.

У разі виникнення потреби в енерґії накопичені у жировій тканині ТАГ гідролізуються під дією внутрішньоклітинних ліпаз з вивільненням жирних кислот, які можуть через кровотік потрапляти у скелетні м’язи та серце. Вивільнення жирних кислот з адипоцитів значно прискорює гормон епінефрин, який стимулює cAMP-залежне фосфорилювання периліпину; це забезпечує доступ триацилґліцеролліпази до ТАГ у ліпідних краплинах. Активність гормоночутливих ліпаз також стимулюється фосфорилюванням, проте це не є основною причиною зростання швидкості ліполізу (див. Рис. 17-3). Інсулін знижує активність триацилґліцеролліпази і збалансовує вплив епінефрину.

Реакції розщеплення і синтезу ТАГ у жировій тканині складають субстратний цикл; до 70% вивільнених триацилґліцеролліпазою жирних кислот реетерифікуються в адипоцитах і знову утворюють ТАГ. У розділі 15 наголошувалося, що такі субстратні цикли забезпечують тонку реґуляцію швидкості та напрямку потоку проміжних сполук у протилежно спрямованих шляхах. Гліцерол, вивільнений у жировій тканині під дією триацилґліцеролліпази, не може повторно використовуватися для синтезу ТАГ, оскільки в адипоцитах відсутній ензим ґліцеролкіназа. Натомість необхідний для синтезу ТАГ гліцеролфосфат утворюється з пірувату шляхом ґлюконеоґенезу із залученням цитозольного ензиму ФЕП-карбоксикінази (див. Рис. 21-22). Цей ензим служить однією з мішеней препаратів (тіазолідиндіонів), які використовуються для лікування діабету типу II; це дозволяє припустити, що порушення реґуляції цитозольної ФЕП-карбоксикінази в жировій тканині може бути одним з факторів, які викликають діабет типу ІІ.

В орґанізмі немовлят, а також багатьох тварин, які впадають у сплячку, існує особливий різновид жирової тканини - бурий жир, спеціалізованою функцією якого є постачання тепла за рахунок окиснення жирних кислот, а не ATP. Організм дорослої людини містить дуже мало бурого жиру.

Для виконання механічної роботи м’язи використовують ATP

Метаболізм у клітинах скелетних м’язів - міоцитах - спрямований насамперед на синтез ATP як безпосереднього джерела енерґії для скорочення. Цей тип м’язів пристосований до того, щоб виконувати механічну роботу не постійно, а за потребою. У деяких випадках, наприклад під час забігу спринтера на 100 м, скелетні м’язи виконують величезну роботу упродовж короткого проміжку часу; в інших випадках цей проміжок набагато довший, як, наприклад, під час марафону або тривалого фізичного навантаження.

Існує два великі класи м'язової тканини, які відрізняються за фізіологічною роллю і способом використання енергії. Повільно скорочувані м'язи, які також називають червоними м'язами, скорочуються відносно слабко, але менше втомлюються. Синтез ATP у цих м’язах відбувається упродовж відносно повільного, але стабільного процесу окисного фосфорилювання. Червоні м'язи збагачені мітохондріями і пронизані дуже густою сіткою кровоносних судин, які постачають необхідний для утворення ATP кисень. Характерного червоного забарвлення клітинам цих м’язів надають цитохроми мітохондрій і гемоглобін крові. Швидко скорочувані м'язи, або білі м'язи, містять менше мітохондрій і кровоносних судин, проте здатні скорочуватися сильніше і швидше. Вони також швидше втомлюються, оскільки в активному стані використовують ATP раніше, ніж можуть поповнити його запас. Співвідношення червоних і білих м'язів в окремої особи задається ґенетично; фізичне тренування сприяє зміцненню швидко скорочуваних м'язів.

Залежно від рівня м'язової активності скелетні м’язи можуть використовувати як джерело енергії жирні кислоти, кетонові тіла або ґлюкозу ( Рис. 23-17). У стані спокою м’язи використовують насамперед вільні жирні кислоти, що надходять з жирової тканини, та кетонові тіла, що надходять з печінки. Ці субстрати окиснюються та розщеплюються з утворенням ацетил-CoA, який поступає у цикл лимонної кислоти і повністю окиснюється до СО₂. Процес окиснення супроводжується перенесенням електронів до О₂ з вивільненням енерґії, достатньої для синтезу ATP шляхом окисного фосфорилювання. У випадку помірного навантаження, окрім жирних кислот та кетонових тіл, м’язи використовують ще й ґлюкозу крові. Ґлюкоза спочатку фосфорилюється, а потім у ході ґліколізу розщеплюється до пірувату, який перетворюється на ацетил-CoA, що окиснюється у циклі лимонної кислоти та шляхом окисного фосфорилювання.

У випадку максимального навантаження швидко скорочуваних м'язів потреба їх в ATP зростає настільки, що кров не здатна постачати ті кількості О₂ та джерел енергії, які необхідні для синтезу ATP лише шляхом аеробного дихання. За таких умов м’язи використовують власний накопичений ґлікоґен, який розщеплюється до лактату шляхом бродіння (стр. ). Розщеплення одного залишку ґлюкози дає три молекули ATP, оскільки внаслідок фосфоролізу ґлікоґену утворюється глюкозо-6-фосфат, а одна молекула ATP, яка зазвичай використовується у гексокіназній реакції, зберігається. Отже, процес молочнокислого бродіння швидше реагує на зростання потреби в ATP порівняно з процесом окисного фосфорилювання, і доповнює базальний рівень синтезу АТР, що є результатом аеробного окиснення інших джерел енергії у циклі лимонної кислоти та дихальному ланцюзі. Використання ґлюкози крові та ґлікоґену м’язів у якості джерела для енерґетичного забезпечення роботи м’язів значно зростає внаслідок секреції епінефрину, який стимулює утворення ґлюкози з ґлікоґену в печінці та розщеплення ґлікоґену у тканині м’язів.

Запаси ґлікоґену у скелетних м’язах незначні (приблизно 1% від загальної маси м’язів), що обмежує кількість енерґії, яка може вивільнитись у ході ґліколізу за умов максимального навантаження. Більше того, через накопичення лактату та, як наслідок, зниження рН у випадку високої активності м’язів, їхня працездатність зменшується. Однак скелетні м'язи містять інше джерело ATP, а саме фосфокреатин (10 - 30 мМ), який може швидко реґенерувати ATP з АДФ в реакції, каталізованій креатинкіназою:

Фосфокреатин під час активності/під час відновлення Креатин

Упродовж періодів активного скорочення м’язів і ґліколізу ця реакція спрямована головним чином у бік синтезу ATP, а у періоди відновлення після напруження той самий ензим забезпечує ресинтез фосфокреатину з креатину за рахунок ATP.

Після періоду інтенсивного навантаження м’язів в організмі протягом певного часу зберігається висока інтенсивність дихання, під час якого більша частина додаткового кисню використовується на окисне фосфорилювання у печінці. Синтезований ATP споживається для ґлюконеоґенезу з лактату, який переноситься до печінки кровотоком від м’язів. Утворена в такий спосіб ґлюкоза повертається у м’язи для відновлення запасів ґлікоґену. Цей цикл носить назву циклу Корі ( Рис. 23-18, див. також додаток 15-1).

Знак Серцевий м’яз відрізняється від скелетного м’яза тим, що йому притаманна постійна активність з ритмічним чергуванням періодів скорочення та розслаблення і лише аеробний метаболізм. У серцевому м’язі порівняно зі скелетним міститься набагато більша кількість мітохондрій, вони займають майже половину об’єму клітин (Рис. 23-19). У якості джерела енергії серце використовує переважно вільні жирні кислоти, а також деяку кількість ґлюкози та кетонових тіл, що постачаються кров’ю; ці сполуки окиснюються у циклі лимонної кислоти з вивільненням енерґії, необхідної для синтезу ATP шляхом окисного фосфорилювання. У серцевому м’язі, так само, як і у скелетному, не запасаються значні кількості ліпідів чи ґлікоґену. Невелика кількість енерґії, достатня для забезпечення скорочення упродовж кількох секунд, запасається у вигляді фосфокреатину. Оскільки серце за нормальних умов функціонує лише в аеробному режимі і отримує енерґію за рахунок окисного фосфорилювання, то нестача кисню у певній ділянці серцевого м’яза через блокування кровоносних судин ліпідними відкладеннями (атеросклероз) або згустком крові (вінцевий тромбоз) може призвести до відмирання такої ділянки. Цей процес називають інфарктом міокарду (більш поширена назва - серцевий напад).

Мозок використовує енерґію для передачі електричних імпульсів

Метаболізм мозку характеризується низкою особливих відмінностей. Нейрони мозку дорослих ссавців звичайно використовують у якості джерела енергії лише ґлюкозу (Рис. 23-20). (Інший великий тип клітин мозку – астроцити - можуть окиснювати жирні кислоти). У мозку відбувається дуже інтенсивний дихальний метаболізм ( Рис. 23-21), на який постійно використовується близько 20% від загальної кількості О₂, яку споживає орґанізм у стані спокою. Вміст ґлікоґену у мозку дуже низький, тому він потребує постійного надходження ґлюкози з крові. Якщо концентрація ґлюкози у крові навіть на короткий проміжок часу впаде нижче певного критичного рівня, то можуть виникнути тяжкі, а інколи і незворотні, порушення функцій мозку.

Хоча нейрони мозку не здатні безпосередньо використовувати вільні жирні кислоти або ліпіди крові як джерело енергії, однак за необхідності вони метаболізують β-гідроксибутират (одна із форм кетонових тіл), що синтезується з жирних кислот у печінці. Здатність мозку окиснювати β-гідроксибутират з утворенням ацетил-CoA як проміжного продукту набуває особливо важливого значення у разі тривалого обмеження їжі чи голодування, коли повністю вичерпуються запаси ґлікоґену, оскільки це дозволяє йому використовувати жири орґанізму як джерело енерґії. Завдяки цьому в орґанізмі, який голодує, упродовж певного часу зберігаються протеїни м’язів, аж доки вони не залишаться єдиним джерелом ґлюкози (що утворюватиметься шляхом ґлюконеоґенезу у печінці).

У нейронах ґлюкоза окиснюється шляхом ґліколізу та у циклі лимонної кислоти, а потік електронів, що відщеплюються у реакціях окиснення, через дихальний ланцюг постачає майже всю ATP, яку використовують ці клітини. Енерґія ATP необхідна для створення та підтримання електричного потенціалу на плазматичній мембрані нейронів. У мембрані розташований електроґенний ATP-залежний антипортер Na⁺,K⁺-ATPаза, яка здійснює одночасне перемішення 2К⁺ усередину нейрону та 3Nа⁺ назовні (див. Рис. 11-37). Унаслідок цього виникає трансмембранний потенціал, який швидко змінюється по мірі того, як електричний сиґнал (потенціал дії) переміщається від одного кінця нейрона до іншого (див. Рис. 12-5). Виникнення потенціалу дії - це основний механізм передачі інформації у нервовій системі, а тому вичерпання запасу ATP в нейронах справляє руйнівний вплив на всі процеси, які координує нейрональне сиґналювання.

Кров переносить кисень, метаболіти та гормони

Кров опосередковує метаболічні взаємодії між різними тканинами тіла. Вона переносить поживні речовини від тонкого кишковика до печінки і з печінки та жирової тканини до інших орґанів, а також відпрацьовані продукти обміну з тканин до нирок для виведення з орґанізму. Кров також доставляє кисень з легень до тканин і переносить СО₂, що утворюється як кінцевий продукт тканинного дихання, до легень для видихання. Окрім того, кров переносить гормональні сиґнали від однієї тканини до іншої. Так само, як і нервова система, кровоносна система виконує роль переносника сиґналів; обидві системи реґулюють та поєднують функціонування різних орґанів.

В орґанізмі дорослої людини міститься від 5 до 6 л крові. Майже половина цього об’єму припадає на долю трьох типів клітин крові ( Рис. 23-22): еритроцитів (червонокрівці), наповнених гемоглобіном та пристосованих для перенесення О₂ і СО₂; значно меншої кількості лейкоцитів (білокрівці) декількох типів (включно із лімфоцитами, виявленими також і в лімфатичній тканині), які відіграють центральну роль в імунній системі, що забезпечує захист від інфекцій; та тромбоцитів, задіяних у процесі згортання крові. Рідка частина - плазма крові - на 90% складається з води і на 10% - з розчинених речовин. Плазма містить у розчиненому або суспендованому стані багато різноманітних протеїнів, ліпопротеїнів, поживних речовин, метаболітів, відпрацьованих продуктів обміну, неорґанічних іонів та гормонів. Серед них понад 70% складають протеїни плазми (Рис. 23-22), до яких належать, в основному, імуноглобуліни (циркулюючі антитіла), альбумін сироватки, залучені до транспорту ліпідів аполіпопротеїни, трансферин (переносник заліза), а також протеїни системи згортання крові, такі як фібриноґен та протромбін.

Іони та низькомолекулярні розчинні сполуки не є стабільними компонентами плазми крові, оскільки між кров’ю та іншими тканинами існує постійний обмін. Наприклад, надходження з їжі неорґанічних йонів, які є головними електролітами крові і цитозолю (Na⁺, K⁺ тa Ca⁺), врівноважується їхнім виведенням із сечею. Для багатьох компонентів у плазмі крові встановлюється приблизна динамічна рівновага - незважаючи на постійний обмін між травним трактом, кров’ю та сечею, їхня концентрація коливається лише в незначних межах. Вміст йонів Na⁺, К⁺ та Са²⁺ у плазмі підтримується на рівні відповідно 140, 5 та 2,5 мМ і майже не змінюється після прийому їжі. Будь-які значні відхилення від цих величин можуть призвести до тяжких захворювань або загибелі орґанізму. Особливо важливу роль у підтриманні йонного балансу відіграють нирки, які вибірково відфільтровують з крові відпрацьовані продукти обміну та надлишкові йони і одночасно реабсорбують поживні речовини та необхідні йони, запобігаючи їхній втраті.

Знак Концентрація ґлюкози у плазмі крові також дуже чітко регулюється. Ми вже відзначали потребу мозку в ґлюкозі та роль печінки у підтриманні нормальної концентрації ґлюкози у крові на рівні 60-90 мг/100 мл. Коли концентрація ґлюкози у крові падає до рівня 40мг/100 мл (умови гіпоглікемії), самопочуття людини погіршується, відбуваються психічні розлади ( Рис. 23-23); у випадку подальшого зниження рівня ґлюкози розвивається коматозний стан, спостерігаються конвульсії, а у разі глибокої гіпоглікемії орґанізм гине. Тому підтримання концентрації ґлюкози у крові на нормальному рівні надзвичайно важливе для орґанізму і для цього існують різноманітні реґуляторні механізми. До найважливіших реґуляторів концентрації ґлюкози у крові належать гормони інсулін, ґлюкаґон та епінефрин, механізми їхньої дії буде розглянуто у наступному підрозділі.

ПІДСУМОК 23.2 Специфіка метаболізму в тканинах: розмежування функцій

■ Для спеціалізованих тканин і орґанів ссавців характерним є розподіл метаболічних функцій. Центральну роль у перетворенні поживних речовин та їх розподілі відіграє печінка. Цукри та амінокислоти, вивільнені у процесі травлення, проникають через епітелій кишковика і потрапляють у кров, з якою доставляються у печінку. У печінку надходить і частина триацилґліцеролів, що утворюються у процесі перетравлення ліпідів; зі складу триацилґліцеролів вивільняються жирні кислоти, які використовуються у різноманітних процесах.

■ Роль головної проміжної сполуки у метаболізмі вуглеводів відіграє ґлюкозо-6-фосфат, який може полімеризуватися у ґлікоґен, дефосфорилюватися до ґлюкози і поповнювати її рівень у крові, або ж перетворюватися на жирні кислоти через ацетил-CoA. Він може зазнавати окиснення у реакціях гліколізу, циклу лимонної кислоти та дихального ланцюга, що супроводжується синтезом ATP, або у реакціях пентозофосфатного циклу з утворенням пентоз та NADPН.

■ Амінокислоти використовуються для синтезу протеїнів печінки та плазми крові, або ж їхні вуглецеві скелети перетворюються на ґлюкозу та ґлікоґен шляхом ґлюконеоґенезу. Утворений внаслідок дезамінування амінокислот аміак перетворюється на сечовину.

■ Жирні кислоти у печінці перетворюються на триацилґліцероли, фосфоліпіди, або холестерол та його ефіри і транспортуються у складі ліпопротеїнів плазми до жирової тканини для запасання. Жирні кислоти можуть також окиснюватися з утворенням ATP або кетонових тіл, які з кровотоком переносяться до інших тканин.

■ Специфіка метаболізму у скелетних м'язах полягає в утворенні та використанні ATP для механічної роботи. Під час напруженої м’язової роботи основним джерелом енерґії є ґлікоґен, який постачає АТР шляхом молочнокислого бродіння. Під час відновлювального періоду лактат знову перетворюється (шляхом ґлюконеоґенезу) на ґлікоґен та ґлюкозу у печінці. Безпосереднім джерелом ATP під час активного скорочення м’яза слугує фосфокреатин.

■ Майже вся кількість ATP, необхідна для забезпечення роботи серцевого м'яза, утворюється шляхом окисного фосфорилювання.

■ Нейрони мозку в якості джерела енергії використовують лише ґлюкозу та -гідроксибутират; останній відіграє важливу роль в енерґозабезпеченні мозку під час недостатнього надходження їжі чи голодування. Більша частина синтезованого у мозку ATP використовується для активного транспорту Na⁺ і К⁺ та підтримання електричного потенціалу на нейрональній мембрані.

■ Функція крові полягає у перенесенні між орґанами організму поживних речовин, відпрацьованих продуктів та гормональних сиґналів.