Koolman Buffer function in organ metabolism All of the body’s tissues have a constant requirement for energy substrates and nutrients. The body receives these metabolites with food, but the supply is irregular and in varying amounts. The liver acts here along with other organs, particularly adipose tissue, as a balancing buffer and storage organ. In the metabolism, a distinction is made between the absorptive state (well-fed state) immediately after a meal and the postabsorbtive state (state of starvation), which starts later and can merge into hunger. The switching of the organmetabolismbetween the two phases depends on the concentration of energy- bearing metabolites in the blood (plasma level). This is regulated jointly by hormones and by the autonomic nervous system. A. Absorptive state . The absorptive state continues for 2–4 hours after food intake. As a result of food digestion, the plasma levels of glucose, amino acids, and fats (triacylglycerols) temporarily increase. The endocrine pancreas responds to this by altering its hormone release—there is an increase in insulin secretion and a reduction in glucagon secretion. The increase in the insulin/ glucagon quotient and the availability of substrates trigger an anabolic phase in the tissues—particularly liver, muscle, and adipose tissues. The liver forms increased amounts of glycogen and fats from the substrates supplied. Glycogen is stored, and the fat is released into the blood in very low density lipoproteins (VLDLs). Muscle also refills its glycogen store and synthesizes proteins from the amino acids supplied. Adipose tissue removes free fatty acids from the lipoproteins, synthesizes triacylglycerols from them again, and stores these in the form of insoluble droplets. During the absorptive state, the heart and neural tissue mainly use glucose as an energy source, but they are unable to establish any substantial energy stores. Heart muscle cells are in a sense “omnivorous,” as they can also use other substances to produce energy (fatty acids, ketone bodies). By contrast, the central nervous system (CNS) is dependent on glucose. It is only able to utilize ketone bodies after a prolonged phase of hunger (B). B. Postabsorptive state . When the food supply is interrupted, the postabsorbtive state quickly sets in. The pancreatic A cells now release increased amounts of glucagon, while the B cells reduce the amount of insulin they secrete. The reduced insulin/glucagon quotient leads to switching of the intermediary metabolism. The body now falls back on its energy reserves. To do this, it breaks down storage substances (glycogen, fats, and proteins) and shifts energysupplying metabolites between the organs. The liver first empties its glycogen store (glycogenolysis; see p.156). It does not use the released glucose itself, however, but supplies the other tissues with it. In particular, the brain, adrenal gland medulla, and erythrocytes depend on a constant supply of glucose, as they have no substantial glucose reserves themselves. When the liver’s glycogen reserves are exhausted after 12–24 hours, gluconeogenesis begins (see p. 154). The precursors for this are derived from the musculature (amino acids) and adipose tissue (glycerol from fat degradation). From the fatty acids that are released (see below), the liver starts to form ketone bodies (ketogenesis; see p. 312). These are released into the blood and serve as important energy suppliers during the hunger phase. After 1–2 weeks, the CNS also starts to use ketone bodies to supply part of its energy requirements, in order to save glucose. In muscle, the extensive glycogen reserves are exclusively used for the muscles’ own requirements (see p. 320). The slowly initiated protein breakdown in muscle supplies amino acids for gluconeogenesis in the liver. In adipose tissue, glucagon triggers lipolysis, releasing fatty acids and glycerol. The fatty acids are used as energy suppliers by many types of tissue (with the exception of brain and erythrocytes). An important recipient of the fatty acids is the liver,which uses themfor ketogenesis. Специфическое динамическое действие пищи - это увеличение интенсивности метаболизма после приёма пищи, обусловленное повышением энерготрат, необходимых для переваривания пищевых веществ, всасывания питательных веществ и их резервирования в организме. Основные пищевые вещества (углеводы, жиры, белки) окисляются в организме с освобождением свободной энергии, которая используется в анаболических процессах и при осуществлении физиологических функций. Энергетическая ценность основных пищевых веществ выражается в килокалориях и составляет: для углеводов - 4 ккал/г, для жиров - 9 ккал/г, для белков - 4 ккал/г. Взрослому здоровому человеку в сутки требуется 2000-3000 ккал (8000-12 000 кДж) энергии. При обычном ритме питания промежутки между приёмами пищи составляют 4-5 ч с 8-12-часовым ночным перерывом. Во время пищеварения и абсорбтивного периода (2-4 ч) основные энергоносители, используемые тканями (глюкоза, жирные кислоты, аминокислоты), 587 могут поступать непосредственно из пищеварительного тракта. В постабсорбтивном периоде и при голодании энергетические субстраты образуются в процессе катаболизма депонированных энергоносителей. Изменения в потреблении энергоносителей и энергетических затратах координируются путём чёткой регуляции метаболических процессов в разных органах и системах организма, обеспечивающей энергетический гомеостаз. Основную роль в поддержании энергетического гомеостаза играют гормоны инсулин и глюкагон. а также другие контринсулярные гормоны - адреналин, кортизол, йодтиронины и соматотропин. Инсулин и глюкагон играют главную роль в регуляции метаболизма при смене абсорбтивного и постабсорбтивного периодов и при голодании. А. Абсорбтивный период Абсорбтивный период характеризуется временным повышением концентрации глюкозы, аминокислот и жиров в плазме крови. Клетки поджелудочной железы отвечают на это повышение усилением секреции инсулина и снижением секреции глюкагона. Увеличение отношения инсулин/глюкагон вызывает ускорение использования метаболитов для запасания энергоносителей: происходит синтез гликогена, жиров и белков. Режим запасания включается после приёма пищи и сменяется режимом мобилизации запасов после завершения пищеварения. Тип метаболитов, которые потребляются, депонируются и экспортируются, зависит от типа ткани. Главные органы, связанные с изменениями потока метаболитов при смене режимов мобилизации и запасания энергоносителей, - печень, жировая ткань и мышцы (рис. 11-28). 1. Изменения метаболизма в печени в абсорбтивном периоде После приёма пищи печень становится главным потребителем глюкозы, поступающей из пищеварительного тракта. Почти 60 из каждых 100 г глюкозы, транспортируемой портальной системой, задерживается в печени. Увеличение потребления печенью глюкозы - не результат ускорения её транспорта в клетки (транспорт глюкозы в клетки печени не стимулируется инсулином), а следствие ускорения метаболических путей, в которых глюкоза превращается в депонируемые формы энергоносителей: гликоген и жиры. При повышении концентрации глюкозы в гепатоцитах происходит активация глюкокиназы, превращающей глюкозу в глюкозо-6-фосфат. Глюкокиназа имеет высокое значение Кm для глюкозы, что обеспечивает высокую скорость фосфорилирования при высоких концентрациях глюкозы. Кроме того, глюкокиназа не ингибируется глюкозо-6-фосфатом (см. раздел 7). Инсулин индуцирует синтез мРНК глюкокиназы. Повышение концентрации глюкозо-6-фосфата в гепатоцитах обусловливает ускорение синтеза гликогена. Этому способствуют одновременная инактивация гликогенфосфорилазы и активация гликогенсинтазы. Под влиянием инсулина в гепатоцитах ускоряется гликолиз в результате повышения активности и количества ключевых ферментов: глюкокиназы, фосфофруктокиназы и пируваткиназы. В то же время происходит торможение глюконеогенеза в результате инактивации фруктозо-1,6-бисфосфатазы и снижения количества фосфоенолпируваткарбоксикиназы - ключевых ферментов глюконеогенеза. Повышение концентрации глюкозо-6-фосфата в гепатоцитах в абсорбтивном периоде, сочетается с активным использованием NADPH для синтеза жирных кислот, что способствует стимуляции пентозофосфатного пути. Ускорение синтеза жирных кислот обеспечивается доступностью субстратов (ацетил-КоА и NADPH), образующихся при метаболизме глюкозы, а также активацией и индукцией ключевых ферментов синтеза жирных кислот (см. раздел 8 и табл. 11-7). В абсорбтивном периоде в печени ускоряется синтез белков. Однако количество аминокислот, поступающих в печень из пищеварительного тракта, превышает возможности их использования для синтеза белков и других азотсодержащих соединений. Излишек аминокислот либо поступает в кровь и транспортируется в другие ткани, либо дезаминируется с последующим включением безазотистых остатков в общий путь катаболизма (см. раздел 9). 2. Изменения метаболизма в адипоцитах Основная функция жировой ткани - запасание энергоносителей в форме триацилгли-церолов. Под влиянием инсулина ускоряется транспорт глюкозы в адипоциты. Повышение Рис. 11-28. Пути использования основных энергоносителей в абсорбтивном периоде. 1 - биосинтез гликогена в печени; 2 - гликолиз; 3 - биосинтез ТАГ в печени; 4 - биосинтез ТАГ в жировой ткани; 5 - биосинтез гликогена в мышцах; 6 - биосинтез белков в разных тканях, в том числе в печени. внутриклеточной концентрации глюкозы и активация ключевых ферментов гликолиза обеспечивают образование ацетил-КоА и глицерол-3-фосфата, необходимых для синтеза ТАГ. Стимуляция пентозофосфатного пути обеспечивает образование NADPH, необходимого для синтеза жирных кислот. Однако биосинтез жирных кислот de novo в жировой ткани человека протекает с высокой скоростью только после предшествующего голодания. При нормальном ритме питания для синтеза ТАГ используются в основном жирные кислоты, поступающие из ХМ и ЛПОНП под действием ЛП-липазы (см. раздел 8). Вместе с тем при увеличении отношения инсулин/глюкагон гормончувствительная ТАГ-липаза находится в дефосфорилированной неактивной форме, и процесс липолиза тормозится. 3. Изменение метаболизма в мышцах в абсорбтивном периоде В абсорбтивном периоде под влиянием инсулина ускоряется транспорт глюкозы в клетки мышечной ткани. Глюкоза фосфорилируется и окисляется для обеспечения клетки энергией, а также используется для синтеза гликогена. Жирные кислоты, поступающие из ХМ и ЛПОНП, в этот период играют незначительную роль в энергетическом обмене мышц. Поток аминокислот в мышцы и биосинтез белков также увеличиваются под влиянием инсулина, особенно после приёма белковой пищи. 589 Б. Постабсорбтивный период Постабсорбтивным состоянием называют период после завершения пищеварения до следующего приёма пищи. Если пища не принимается в течение суток и более, то это состояние определяют как голодание. Типичным постабсорбтивным периодом считают состояние после 12-часового ночного перерыва в приёме пищи. В начале постабсорбтивного периода концентрация глюкозы в крови снижается, вследствие чего снижается секреция инсулина и повышается концентрация глюкагона. При снижении индекса инсулин/глюкагон ускоряются процессы мобилизации депонированных энергоносителей (рис. 11-29). В постабсорбтивном периоде изменения метаболизма направлены, главным образом, на поддержание концентрации в крови глюкозы, которая служит основным энергетическим субстратом для мозга и единственным источником энергии для эритроцитов. Основные изменения метаболизма в этот период происходят в печени и жировой ткани. 1. Изменения метаболизма в печени В печени прежде всего ускоряется мобилизация гликогена (см. раздел 7). Однако запасы гликогена в печени истощаются в течение 18-24 ч голодания. Главным источником глюкозы по мере исчерпания запасов гликогена становится глюконеогенез, который начинает ускоряться через 4-6 ч после последнего приёма пищи. Субстратами для синтеза глюкозы служат глицерол, аминокислоты и лактат. При высокой концентрации глюкагона скорость синтеза жирных кислот снижается вследствие фосфорилирования и инактивации ацетил-КоА-карбоксилазы, а скорость р-окисления возрастает. Вместе с тем увеличивается снабжение печени жирными кислотами, которые транспортируются из жировых депо. Ацетил-КоА, образующийся при окислении жирных кислот, используется в печени для синтеза кетоновых тел. 2. Изменения метаболизма в жировой ткани В жировой ткани при повышении концентрации глюкагона снижается скорость синтеза ТАГ и стимулируется липолиз. Стимуляция липолиза - результат активации гормончувствительной ТАГ-липазы адипоцитов под влиянием глюкагона. Жирные кислоты становятся важными источниками энергии в печени, мышцах и жировой ткани. Таким образом, в постабсорбтивнрм периоде концентрация глюкозы в крови поддерживается на уровне 80-100 мг/дл, а уровень жирных кислот и кетоновых тел возрастает.

Схема. Специфическое динамическое действие пищи. Распределение энерготрат. Модификация: McCue M.D. Specific dynamic action: A century of investigation. Review. Comparative Biochemistry and Physiology, 2006, Part A, 144, p. 381–394. см.: Физиология человека: Литература. Иллюстрации