Понятия «обмен веществ» и «метаболизм» обычно отождествляют. Между ними, однако, можно провести достаточно четкую грань. Метаболизм - это совокупность химических превращений различных веществ внутри организма, осуществляемых при участии ферментов. Обмен веществ - понятие, гораздо более широкое. Оно включает еще и процессы поступления веществ, их транспорта внутри организма, депонирования (если надо) и выведения наружу; нередко все это вообще не сопровождается химическими преобразованиями (самый очевидный пример - судьба многих минеральных солей). Не стоит относить к метаболизму и процессы переваривания пищевых веществ, поскольку протекают они, хотя и с участием сек- ретируемых организмом ферментов, но — в той части внешней среды, которую составляет содержимое пищеварительного тракта (включающее, к тому же, и микрофлору со свойственными именно ей биохимическими процессами).
Пища человека (и животных) содержит большое разнообразие органических веществ, многие из которых обладают видовой специфичностью (особенно белки). В основном они построены из стандартного набора более простых молекул (мономеров), одинаковых во всей живой природе. Это - 20 а-аминокислот Ь-ряда; моносахариды (многие из них изомерны друг другу); наконец, глицерин, сфингозин, холестерол и серия высших жирных кислот. Из них формируются белки, полисахариды и липиды, в которых структурные единицы соединены соответственно пептидными, гликозид- ными и эфирными связями. Гидролитическое расщепление этих связей протекает сравнительно легко и не сопровождается значительным перепадом энергии.
Отсюда становится ясным биологический смысл процессов переваривания пищи: расщепить крупные молекулы до небольших структурных единиц, способных всасываться (проникать в клетки), но лишенных видовой специфичности и сохраняющих практически весь запас химически связанной энергии пищевых веществ. Эта триединая задача и решается благодаря тому, что все пищеварительные ферменты способны осуществлять только реакции гидролиза. Иными словами, они могут (с участием воды) расщеплять только связи между структурными мономерами в олиго- и полимерных молекулах пищи.
Набор ферментов, осуществляющих переваривание углеводов, невелик. Он включает ряд амилаз и дисахаридаз.
В секрете слюнных желез содержится вообще только один из всех пищеварительных ферментов. Это — а-амилаза слюны. Она гидролизует а-( 1—>4)-глюкозидные связи в глубине молекул крахмала и гликогена, т.е., относится к эндогидролазам. Связи атакуются в случайном порядке. Поэтому образуется смесь более или менее крупных обломков, которые издавна называют декстринами. Чем дольше воздействие фермента, тем меньше размеры образующихся декстринов. Самая маленькая молекула, на которую еще может действовать слюнная амилаза, должна содержать не менее трех а-глюкозидных связей. Фермент может расщепить ее на две молекулы мальтозы или (реже) на глюкозу и трисахарид. Поэтому при недолгом воздействии слюнной амилазы полисахариды расщепляются в основном до декстринов, а при длительном - преимущественно до мальтозы (и небольшого количества глюкозы и мальтотриоз). Фермент активируется многими катионами и анионами, но наибольший эффект оказывают ионы СГ.
Во рту пища находится недолго. Поэтому действие слюнной амилазы (и различных микробных гликозидаз) очень кратковременно. Оптимум pH для нее - около 7. В желудке фермент не только не может функционировать, но и денатурируется сильнокислой средой; некоторое время действие его еще продолжается в глубине пищевого комка.
Поскольку собственных гликозидаз в желудочном соке нет, дальнейшее переваривание углеводов происходит в тонкой кишке (содержимое которой нейтрализует соляную кислоту желудочного сока). Здесь панкреатическая а-амилаза возобновляет гидролиз оставшихся непереваренными полисахаридов и декстринов. Имея возможность более длительного воздействия на пищевую кашицу, она расщепляет эти полимеры в основном до мальтозы. Кроме того, при гидролизе связей по соседству с точками ветвления образуются также молекулы а- (1 —>6)-глюкозидо-глюкозы (именуемой изомальтозой).
Действие амилаз продолжают и дополняют гликозидазы, имеющиеся в кишечном соке и на микроворсинках кишечного эпителия:
амило-( 1—>6)-глюкозидаза, обеспечивающая расщепление а-( 1—>6)-глюкозидных связей в точках ветвления молекул гликогена и ами- лопектина (эту эндогидролазу называют еще «отстригающая веточки»);
олиго-( 1—>6)-глюкозидаза (изомальтаза), которая гидролизует а-(1—>6)-глюкозидную связь в декстринах, происходящих из гликогена и амилопектина, а также в изомальтозе (расщепляемой до двух молекул глюкозы);
а-глюкозидаза (мальтаза), избирательно разрывающая а-( 1 —»4)-глюкозидную связь, самую близкую к нередуцирующему концу олигосахаридов; последовательно отщепляя по одному моносахариду, эта экзогидропаза обеспечивает полный распад неразветвленных участков внешних а-(1—>4)-цепей до глюкозы; в соответствии со своей специфичностью фермент гидролизует также дисахариды мальтозу и сахарозу;
сахараза; к природным субстратам этой а-глюкозидазы относятся сахароза (расщепляемая на глюкозу и фруктозу) и мальтоза (гидролизуемая до глюкозы);
лактаза ф-галактозидаза), катализирующая гидролиз р-гликозидной связи в лактозе (с образованием галактозы и глюкозы) и в молекулах многих других р-В-галактозидов и даже Р-О-глюкозидов (в частности, в целлобиозе);
трегалаза, которая абсолютно специфична в отношении трегалозы - необычного дисахарида с гликозидной связью, образованной полуацетальными гидроксилами обеих Б-глю- коз (в их а-форме); встречается у низших организмов (включая грибы и насекомых).
Хотя целлюлоза и ее аналоги не представляют питательной ценности для человека и многих животных, роль их в пищеварении немаловажна. Эти балластные вещества, наполняя кишечник, стимулируют его перистальтику
и, следовательно, продвижение кишечного содержимого. Кроме того, они полезны в качестве сорбента для различных токсичных продуктов, в том числе микробного происхождения, и способствуют их выведению из организма. Современная пищевая промышленность поставляет все более рафинированные продукты питания, и поэтому появились специальные препараты измельченной целлюлозы, предназначенные для компенсации недостатка клетчатки в рационе человека (иногда их рекламируют как средства для «очищения» организма).
Совокупное воздействие всех упомянутых гликозидаз пищеварительных соков приводит к расщеплению усвояемых углеводов в конечном счете до моносахаридов. Львиную долю их составляет глюкоза. Среди остальных преобладают гексозы, представленные в основном фруктозой и галактозой.
Процесс поступления продуктов переваривания из кишечника во внутреннюю среду организма называется всасыванием. Осуществляется оно главным образом в тонком кишечнике. Из углеводов способны всасываться только моносахариды. Многие из ннх преодолевают барьер, каковым является слизистая оболочка, путем простой диффузии. Для наиболее важных моносахаридов известны специальные переносчики в виде белковых молекул, которые облегчают транспорт, связываясь с углеводом на одной стороне мембраны энтероцитов и освобождаясь от него на другой (происходит это благодаря конформационным изменениям переносчика, без формирования трансмембранных пор). Механизм облегченного транспорта действует тоже по градиенту концентрации, но заметно ускоряет процесс всасывания. Наконец, существует и механизм активного транспорта, который становится важным при низкой концентрации моносахаров в химусе. Наиболее изучен он для глюкозы, галактозы и фруктозы. Поступление их в энтероцит из просвета кишки против градиента концентрации происходит за счет энергии движения ионов
в том же направлении, но по градиенту концентрации. В свою очередь, ионный градиент создается работой Ыа+,К+-АТФазы, которая, гидролизуя АТФ, использует освобождаемую энергию для переноса в просвет кишки (и ионов К+ - в обратном направлении).
Попавшие в энтероцит моносахара поступают затем путем простой или облегченной диффузии почти исключительно в кровь и по системе воротной вены попадают прежде всего в печень. Здесь значительная часть их превращается в гликоген и откладывается про запас. В состоянии натощак преобладает обратный процесс: гликоген по мере надобности расщепляется до глюкозы, которая поступает в общий кровоток и утилизируется всеми остальными клетками. Благодаря тонкой регуляции метаболизма углеводов, в плазме крови поддерживается довольно стабильный уровень глюкозы (3,8-6,1 мМ натощак, в покое), несмотря на интервалы в приеме пищи и резкие перепады в энергозатратах организма.
Важно отметить, что в слизистой оболочке кишки, в печени и других тканях есть ферменты, обеспечивающее обратимые взаимопревращения моносахаридов. В частности, фруктоза, галактоза и манноза легко преобразуются в глюкозу (подробности приведены в разделе 6.4.1). Поэтому не будет значимой погрешностью утверждать, что во внутреннюю среду организма все углеводы поступают в виде глюкозы. А отсюда следует, что весь метаболизм углеводов сводится, по существу, к различным путям преобразования именно глюкозы. Начальную стадию каждого из них осуществляет гексокиназа.