 |
Оценка метаболической функции
|
|
|
|
Биохимия печени
Печень - главный орган метаболизма
Функции печени
1. Пищеварительная – печень является крупнейшей пищеварительной железой. Она образует желчь, включающую воду (82%), желчные кислоты (12%), фосфатидилхолин (4%), и удаляемые из организма вещества – холестерол (0,7%), прямой билирубин, белки, электролиты, другие вещества крови, лекарственные средства и их метаболиты.
Желчь обеспечивает эмульгирование и переваривание жиров пищи, стимулирует перистальтику кишечника. После всасывания пищевых липидов существенная доля желчных кислот реабсорбируется в подвздошной кишке и по воротной системе достигает печени, что получило название "кишечно-печеночная циркуляция".
Схема захвата и секреции желчных кислот в гепатоците
Из крови воротной вены желчные кислоты поглощаются симпортом с ионами Na+. В желчный капилляр синтезированные de novo и используемые вторично желчные кислоты секретируются АТФ-зависимым транспортом.
2. Экскреторная функция, близка к пищеварительной – с помощью желчи выводятся прямой билирубин, немного креатинина и мочевины, продукты распада стероидных гормонов, ксенобиотики и продукты их обезвреживания, холестерол. Последний выводится из организма только в составе желчи.
3. Секреторная – печень осуществляет биосинтез и секрецию в кровь альбумина и некоторых белков других фракций, белков свертывающей системы, липопротеинов, глюкозы, кетоновых тел, 25-оксикальциферола, креатина.
4. Депонирующая – здесь находится место депонирования энергетических резервов гликогена, накапливаются минеральные вещества, особенно железо, витамины A, D, K, B12 и фолиевая кислота.
5. Метаболическая функция (подробно)
|
|
|
6. Обезвреживающая функция (подробно)
Сложная функция печени требует особого строения
Печень – самый крупный орган в организме человека, состоит примерно из 300 млрд клеток, 80% из которых составляют гепатоциты. Масса печени достигает 1,5 кг, что составляет 2-3% от массы тела взрослого человека. На печень приходится от 20 до 30% потребляемого организмом кислорода. Клетки печени занимают центральное место в реакциях промежуточного метаболизма и поддержании гомеостаза крови. Поэтому в биохимическом отношении гепатоциты являются как бы прототипом всех остальных клеток.
Артериальная кровь, поступающая по печёночной артерии, и кровь воротной вены от желудка, селезёнки, кишечника, поджелудочной железы и других органов брюшной полости, проходит к центру печеночной дольки по разветвленной сети капилляров между рядами гепатоцитов, называемой синусоидами. Синусоиды соприкасаются с каждым гепатоцитом. В отличие от капилляров других тканей синусоиды не имеют базальной мембраны, их стенка представлена только эндотелиальными клетками. Между эндотелием и гепатоцитами расположено перисинусоидальное пространство – пространство Диссе. Вдоль синусоид располагаются клетки ретикуло-эндотелиальной системы – клетки Купфера. После взаимодействия с гепатоцитами кровь из капилляров поступает в центральные вены, которые далее впадают в нижнюю полую вену.
Схема принципиальных структур печени
В зонах соприкосновения мембран двух или более гепатоцитов формируются желчные канальцы, которые поначалу не имеют собственных стенок – ими служат цитоплазматические мембраны гепатоцитов. На периферии печеночной дольки они сливаются в более крупные желчные ходы.
Поверхность печеночной капиллярной сети достигает 400 м2 и обеспечивает прохождение через печень около 2 тыс. литров крови в сутки, при этом 80% её поступает по системе воротной вены, а 20% — через печёночную артерию.
|
|
|
Печень перекрещивает метаболизм углеводов, липидов и белков
Печень, являясь центральным органом метаболизма, участвует в поддержании метаболического гомеостаза и способна осуществлять взаимодействие реакций обмена белков, жиров и углеводов.
Местами "соединения" обмена углеводов и белков является пировиноградная кислота, щавелевоуксусная и α-кетоглутаровая кислоты из ЦТК, способных в реакциях трансаминирования превращаться, соответственно, в аланин, аспартат и глутамат. Аналогично протекает процесс превращения аминокислот в кетокислоты.
С обменом липидов углеводы связаны еще более тесно:
· образуемые в пентозофосфатном пути молекулы НАДФН используются для синтеза жирных кислот и холестерола,
· глицеральдегидфосфат, также образуемый в пентозофосфатном пути, включается в гликолиз и превращается в диоксиацетонфосфат,
· глицерол-3-фосфат, образуемый из диоксиацетонфосфата гликолиза, направляется для синтеза триацилглицеролов. Также для этой цели может быть использован глицеральдегид-3-фосфат, синтезированный в этапе структурных перестроек пентозофосфатного пути,
· "глюкозный" и "аминокислотный" ацетил-SКоА способен участвовать в синтезе жирных кислот и холестерола.
Взаимосвязь обмена белков, жиров и углеводов
Углеводный обмен
В гепатоцитах активно протекают процессы углеводного обмена. Благодаря синтезу и распаду гликогена печень поддерживает концентрацию глюкозы в крови. Активный синтез гликогена происходит после приема пищи, когда концентрация глюкозы в крови воротной вены достигает 20 ммоль/л. Запасы гликогена в печени составляют от 30 до 100 г. При кратковременном голодании происходит гликогенолиз, в случае длительного голодания основным источником глюкозы крови является глюконеогенез из аминокислот и глицерина.
Печень осуществляет взаимопревращение сахаров, т.е. превращение гексоз (фруктозы, галактозы) в глюкозу.
Активные реакции пентозофосфатного пути обеспечивают наработку НАДФН, необходимого для микросомального окисления и синтеза жирных кислот и холестерола из глюкозы.
Липидный обмен
Если во время приема пищи в печень поступает избыток глюкозы, который не используется для синтеза гликогена и других синтезов, то она превращается в липиды – холестерол и триацилглицеролы. Поскольку запасать ТАГ печень не может, то их удаление происходит при помощи липопротеинов очень низкой плотности (ЛПОНП). Холестерол используется, в первую очередь, для синтеза желчных кислот, также он включается в состав липопротеинов низкой плотности (ЛПНП) и ЛПОНП.
|
|
|
При определенных условиях – голодание, длительная мышечная нагрузка, сахарный диабет I типа, богатая жирами диета – в печени активируется синтез кетоновых тел, используемых большинством тканей как альтернативный источник энергии.
Белковый обмен
Больше половины синтезируемого за сутки в организме белка приходится на печень. Скорость обновления всех белков печени составляет 7 суток, тогда как в других органах эта величина соответствует 17 суткам и более. К ним относятся не только белки собственно гепатоцитов, но и идущие на "экспорт" – альбумины, многие глобулины, ферменты крови, а также фибриноген и факторы свертывания крови.
Аминокислоты подвергаются катаболическим реакциям с трансаминированием и дезаминированием, декарбоксилированию с образованием биогенных аминов. Происходят реакции синтеза холина и креатина благодаря переносу метильной группы от аденозилметионина. В печени идет утилизация избыточного азота и включение его в состав мочевины.
Реакции синтеза мочевины теснейшим образом связаны с циклом трикарбоновых кислот.
Тесное взаимодействие синтеза мочевины и ЦТК
Пигментный обмен
Участие печени в пигментном обмене заключается в превращении гидрофобного билирубина в гидрофильную форму и секреция его в желчь.
Пигментный обмен, в свою очередь, играет важную роль в обмене железа в организме – в гепатоцитах находится железосодержащий белок ферритин.
Оценка метаболической функции
В клинической практике существуют приемы оценки той или иной функции:
Участие в углеводном обмене оценивается:
|
|
|
· по концентрации глюкозы крови,
· по крутизне кривой теста толерантности к глюкозе,
· по "сахарной" кривой после нагрузки галактозой,
· по величине гипергликемии после введения гормонов (например, адреналина).
Роль в липидном обмене рассматривается:
· по уровню в крови триацилглицеролов, холестерола, ЛПОНП, ЛПНП, ЛПВП,
· по коэффициенту атерогенности.
Белковый обмен оценивается:
· по концентрации общего белка и его фракций в сыворотке крови,
· по показателям коагулограммы,
· по уровню мочевины в крови и моче,
· по активности ферментов АСТ и АЛТ, ЛДГ-4,5, щелочной фосфатазы, глутаматдегидрогеназы.
Пигментный обмен оценивается:
· по концентрации общего и прямого билирубина в сыворотке крови.
Большая часть токсинов обезвреживается в печени
Обезвреживание (детоксикация, биотрансформация) естественных метаболитов и чужеродных соединений (ксенобиотиков) непрерывно протекает в любом организме.
Для попадания токсичных и чужеродных веществ существует три пути: желудочно-кишечный тракт, легкие и кожа. Далее эти вещества либо могут подвергнуться каким-либо превращениям (биотрансформации) в легких и ЖКТ, либо перейти в кровь. С током крови любые соединения попадают в печень и другие органы. Если это водорастворимое вещество, то оно в состоянии профильтроваться в почках, если летучее – оказаться в выдыхаемом воздухе и покинуть организм, если жирорастворимое – оно либо фиксируется в тканях (кожа, нервная система, жировая ткань и т.п.), либо подвергается биотрансформации в печени. После превращений в печени модифицированное соединение направляется либо в желчь и далее в фекалии, либо в кровь и мочу.
Кожа также является органом выделения, хотя обычно эта функция проявляется слабо. Однако при нарушении выделительной функции почек и/или заболеваниях печени и желчевыделительной системы нагрузка на кожу возрастает, что может привести к ее косметическим нарушениям.
Места биотрансформации, задержки и выведения ксенобиотиков
Ксенобиотики – вещества, которые не используются как источник энергии, не встраиваются в структуры организма и не используются для пластических целей.
Например, биотрансформации в печени подвергаются следующие вещества:
· стероидные и тиреоидные гормоны, инсулин, адреналин,
· продукты распада гемопротеинов (билирубин),
· продукты жизнедеятельности микрофлоры, всасывающихся из толстого кишечника – кадаверин (производное лизина), путресцин (производное аргинина), крезол и фенол (производное фенилаланина и тирозина) и других токсинов,
· ксенобиотики (токсины, лекарственные вещества и их метаболиты).
|
|
|
В целом все реакции биотрансформации делят на две группы или фазы:
· реакции 1 фазы – реакции превращения исходного вещества в более полярный метаболит путем введения или раскрытия функциональной группы (‑ОН, ‑NH2, ‑SH). Эти метаболиты часто неактивны, хотя в некоторых случаях активность не исчезает, а только изменяется. Если эти метаболиты достаточно полярны, они могут легко экскретироваться,
· реакции 2 фазы – отличительным признаком этой фазы являются реакции конъюгации с глюкуроновой, серной, уксусной кислотами, с глутатионом или аминокислотами.
Две фазы биотрансформации ксенобиотиков
Оба типа реакций совершенно самостоятельны и могут идти независимо друг от друга и в любом порядке. Для некоторых веществ после реакций 1-й и 2-й фазы вновь могут наступить реакции фазы 1.
Примером сочетанного превращения веществ может служить обезвреживание индола, продукта катаболизма триптофана в кишечнике, в животный индикан. Сначала индол окисляется с участием цитохрома Р450 до индоксила, затем конъюгирует с серной кислотой с образованием индоксилсульфата и далее калиевой соли – животного индикана.
Превращение индола в 1 и 2 фазах биотрансформации
При повышенном поступлении индола из толстого кишечника образование индикана в печени усиливается, далее он поступает в почки и выводится с мочой. По концентрации животного индикана в моче можно судить об интенсивности процессов гниения белка в кишечнике.
Микросомальное окисление повышает реакционную способность молекул
Реакции микросомального окисления осуществляются несколькими ферментами, расположенными на мембранах эндоплазматического ретикулума (в случае in vitro они называются микросомальные мембраны). Ферменты организуют короткую цепь, которая заканчивается цитохромом P450. Цитохром Р450 взаимодействует с молекулярным кислородом и включает один атом кислорода в молекулу субстрата, способоствуя появлению у нее гидрофильности, а другой – в молекулу воды.
Реакции микросомального окисления относятся к реакциям фазы 1 и предназначены для придания гидрофобной молекуле полярных свойств и/или для повышения ее гидрофильности, усиления реакционной способности молекул для участия в реакциях 2 фазы. В реакциях окисления происходит образование или высвобождение гидроксильных, карбоксильных, тиоловых и аминогрупп, которые и являются гидрофильными.
Ферменты микросомального окисления располагаются в гладком эндоплазматическом ретикулуме и являются оксидазами со смешанной функцией (монооксигеназами).
Основным белком этого процесса является гемопротеин – цитохром Р450. В природе существует до 150 изоформ этого белка, окисляющих около 3000 различных субстратов. У млекопитающих идентифицировано 13 подсемейств цитохрома Р450. Считается, что ферменты одних семейств участвуют в биотрансформации ксенобиотиков, других – метаболизируют эндогенные соединения (стероидные гормоны, простагландины, жирные кислоты и др.).
Работа цитохрома Р450 обеспечивается двумя ферментами:
· НАДН‑цитохром b5‑оксидоредуктаза, содержит ФАД,
· НАДФН‑цитохром Р450‑оксидоредуктаза, содержит ФМН и ФАД.
Схема взаиморасположения ферментов микросомального окисления и их функции
Обе оксидоредуктазы получают электроны от соответствующих восстановленных эквивалентов и передают их на цитохром Р450. Этот белок, предварительно присоединив молекулу восстановленного субстрата, связывается с молекулой кислорода. Получив еще один электрон, цитохром P450 осуществляет включение в состав гидрофобного субстрата первого атома кислорода (окисление субстрата). Одновременно происходит восстановление второго атома кислорода до воды.
Реакции микросомального окисления
Существенной особенностью микросомального окисления является способность к индукции или ингибированию, т.е. к изменению мощности процесса.
Индукторами являются вещества, активирующие синтез цитохрома Р450 и транскрипцию соответствующих мРНК. Они бывают
1. Широкого спектра действия, которые обладают способностью стимулировать синтез цитохрома Р450 и НАДФН-цитохром Р-450-редуктазы, глюкуронилтрансферазы. Классическим представителем являются производные барбитуровой кислоты – барбитураты, также сюда относятся диазепам, карбамазепин, рифампицин и др.
2. Узкого спектр а действия, т.е. стимулируют одну из форм цитохрома Р450 – ароматические полициклические углеводороды (метилхолантрен, спиронолактон и многие другие)
Ингибиторы микросомального окисления связываются с белковой частью цитохрома или с железом гема. Они делятся на:
1. Обратимые
· прямого действия – угарный газ (СО), антиоксиданты,
· непрямого действия, т.е. влияют через промежуточные продукты своего метаболизма, которые образуют комплексы с цитохромом Р-450 – эритромицин.
2. Необратимые ингибиторы – аллопуринол, аминазин, прогестерон, оральные контрацептивы, тетурам, фторурацил,
Оценка реакций 1-й фазы
Оценку микросомального окисления можно проводить следующими способами:
· определение активности микросомальных ферментов после биопсии,
· по фармакокинетике препаратов,
· с помощью метаболических маркеров (антипириновая проба).
Конъюгирование резко повышает водорастворимость
Продукты метаболизма чужеродных веществ, образовавшихся в первой фазе биотрансформации, подвергаются дальнейшей детоксикации с помощью ряда реакций второй фазы. Конечная цель этих реакций – маскировка токсичных групп в составе молекулы и придание ей большей гидрофильности.
Соединения, обладающие активными группами, в гепатоцитах могут метилироваться при участии S-аденозилметионина, могут связываться с глицином и глутамином, с глутатионом, с глюкуроновой, серной и уксусной кислотами. Последние в клетках часто находятся в связанном состоянии, например:
· серная кислота связана с 3'-фосфоаденозин-5'-фосфатом и образует фосфоаденозинфосфосульфат (ФАФС),
· глюкуроновая кислота связана с уридилдифосфорной кислотой и образует уридилдифосфоглюкуроновую кислоту (УДФГК),
· уксусная кислота находится в виде ацетил-S-KoA.
Наиболее активны в печени реакции конъюгации, катализируемые глутатион-S-трансферазой, сульфотрансферазой и УДФ-глюкуронилтрансферазой. Конъюгаты веществ с глутатионом, серной и глюкуроновой кислотами выводятся из организма преимущественно с мочой.
Строение основных кислот реакций конъюгации
Конъюгацию с глутатионом, приводящую к образованию меркаптуровых кислот, принято рассматривать в качестве основного механизма детоксикации.
Строение глутатиона
Иногда от обезвреживания становится хуже
Реакции биотрансформации обеспечивают превращение молекул в полярные, гидрофильные вещества, которые лучше удаляются с мочой. Но иногда такие соединения не детоксицируются, а наоборот, становятся более реакционно способными и являются более токсичными, чем их предшественники. В обычных условиях подобные ситуации встречаются редко и не выражены, т.к. мощности систем конъюгации и окисления достаточно. Однако при субстратной перегрузке этих систем, их истощении или при заболеваниях печени доля подобных реакций возрастает и может иметь клиническое значение, что выражается в органотоксичности и химическом канцерогенезе.
Органотоксичность
В качестве примера рассмотрим метаболизм парацетамола. Обычно парацетамол (ацетаминофен) большей частью конъюгирует с глюкуроновой и серной кислотами и небольшая его доля окисляется цитохромом Р450, которая далее связывается с глутатионом. При неблагоприятных ситуациях (например, передозировка) доля окисленного парацетамола возрастает, и он начинает взаимодействовать с клеточными белками и нуклеиновыми кислотами, ингибируя их и вызывая гибель клеток.
Нормальный метаболизм парацетамола и причины его токсичности
Химический канцерогенез
В настоящее время насчитывают до 150 соединений, могущих вызвать онкологические заболевания, им приписывают от 5% до 20% случаев всех опухолей. Все канцерогены подразделяют на:
· природные, например, вулканический дым и пепел, металлы (мышьяк, ртуть),
· антропогенные, например, тиомочевина, бензол.
В промышленности широко используется около 20 канцерогенных веществ: это амины (рак мочевого пузыря), соединения кадмия (рак простаты), хрома (рак легких), никеля (рак носовой полости и легких).
Канцерогены могут быть полные, которые вызывают опухоль в месте нанесения, и проканцерогены, когда безвредное соединение, подвергаясь превращениям, становится токсичным.
По одной из теорий канцерогенеза, развитие раковых заболеваний стимулируют ароматические соединения, подвергающиеся микросомальному окислению. К примеру, находящийся в каменноугольной смоле бензантрацен после окисления цитохромом Р450 превращается в канцерогенные эпоксид и бензантрацендиол.
Схема окисления бензантрацена
Биохимия печени
|
|
|
