18.5.2. Функции печени

Как полагают, печень выполняет несколько сотен различных функций, включающих тысячи различных химических реакций. Все эти функции связаны с положением печени в кровеносной системе и с тем огромным объемом крови, который протекает через нее в единицу времени (приблизительно 20% от общего объема крови). Печень и почки - главные органы, ответственные за регуляцию содержания метаболитов в крови и постоянство ее состава. Все питательные вещества, всосавшиеся в пищеварительном тракте, поступают прямо в печень, где они либо хранятся, либо превращаются в другие вещества, необходимые в данный момент организму.

Таким образом, все функции печени можно разделить на две категории: 1) хранение питательных веществ и синтез их производных и 2) расщепление ненужных организму веществ перед их экскрецией. Кроме того, благодаря ряду протекающих в печени обменных реакций она может служить источником тепла для животных, обитающих в холодных зонах.

Гексозы (шестиуглеродные сахара) поступают в печень из кишечника по воротной вене печени - единственному кровеносному сосуду, в крови которого содержание сахара может очень сильно колебаться. Это дает ключ к пониманию роли печени в углеводном обмене как органа, поддерживающего концентрацию глюкозы в крови на уровне около 90 мг% (90 мг на 100 мл). Печень препятствует колебанию этого уровня в связи с режимом питания и тем самым предотвращает повреждение таких тканей, как мозг, которые не могут запасать глюкозу. В печени все гексозы, включая галактозу и фруктозу, превращаются в нерастворимый полиса-харид гликоген и в таком виде хранятся. Процесс превращения глюкозы в гликоген называется гликогенезом и стимулируется инсулином:

Расщепляясь до глюкозы, гликоген препятствует падению уровня глюкозы в крови ниже 60 мг%. Процесс расщепления гликогена называется гликогенолизом и включает активацию фермента фосфорилазы под действием гормона глюкагона, выделяемого поджелудочной железой. В момент опасности, при стрессе или в условиях холода фосфорилазу активируют также адреналин, выделяемый мозговым слоем надпочечников, и норадреналин, освобождаемый окончаниями симпатических нейронов (разд. 15.2.3).

В мышцах нет фермента глюкозо-6-фосфатазы, поэтому они не могут превращать гликоген в глюкозу непосредственно через глюкозо-6-фосфат. Вместо этого они превращают глюкозо-6-фосфат в пировиноградную кислоту, которая используется в процессе дыхания или анаэробного гликолиза с образованием АТФ. Молочная кислота, образующаяся в скелетных мышцах при гликолизе, может затем превратиться в глюкозу, а последняя уже в печени превращается в гликоген. Этот биохимический путь известен как цикл Кори:

Когда в связи с раходованием глюкозы запасы гликогена в печени истощаются, глюкоза может синтезироваться из неуглеводных предшественников. Этот процесс называется глюконеогенезом. Низкий уровень глюкозы в крови (гипогликемия) приводит к стимуляции симпатической нервной системы и выбросу адреналина, который, как уже отмечалось, способствует удовлетворению сиюминутных потребностей организма в глюкозе. Низкий уровень глюкозы в крови приводит также к стимуляции гипоталамуса, который выделяет кортиколиберин (разд. 16.6.2.), стимулирующий секрецию АКТГ передней долей гипофиза. Под действием АКТГ усиливаются синтез и секреция глюкокортикоидных гормонов (в основном кортизола). Последние стимулируют переход из тканей в кровь аминокислот, глицерола и жирных кислот, а также синтез в печени ферментов, катализирующих превращение аминокислот и глицерола в глюкозу (жирные кислоты превращаются в ацетил-КоА и непосредственно используются в цикле Кребса). Углеводы, которые не смогут быть использованы организмом или запасены в виде гликогена, превращаются в жиры и в такой форме депонируются. Общая схема углеводного обмена, показывающая участие в нем печени, мышц и других тканей, приведена на рис. 18.23.

Рис. 18.23. Общая схема углеводного обмена

Печень играет важную роль в белковом обмене, который включает здесь дезаминирование, образование мочевины, трансаминирование и синтез белков плазмы.

Дезаминирование. Организм не способен запасать аминокислоты, и те из них, которые не могут быть сразу использованы для биосинтеза белка, подвергаются дезаминированию в печени. Этот процесс состоит в ферментативном отщеплении аминогруппы (-NH₂) и одновременного окисления остатка молекулы с образованием углевода, который используется в процессе дыхания. Аминогруппа отщепляется вместе с атомом водорода, поэтому азотистым продуктом дезаминирования оказывается аммиак (NH₃):

Образующийся аммиак может быть либо использован для синтеза определенных аминокислот или же азотистых оснований типа аденина или гуанина (разд. 5.6), либо удален из организма.

Образование мочевины. Аммиак, образующийся при дезаминировании, превращается в мочевину - растворимый продукт, подлежащий удалению:

Образование мочевины происходит в орнитиновом цикле, представленном на рис. 18.24.

Рис. 18.24. Общая схема орнитинового цикла в печени млекопитающего (орнитин и цитруллин - аминокислоты, не получаемые с пищей, а образующиеся в процессах обмена)

Трансаминирование. Это процесс синтеза аминокислот путем ферментативного переноса аминогруппы с аминокислоты на оксокислоту (гл. 5). Например, глутаминовая кислота может быть синтезирована следующим образом:

Общий принцип всех этих реакций - взаимный обмен специфическими радикалами между аминокислотой и оксокислотой:

Трансаминирование служит способом образования тех аминокислот, которых не хватает в пищевом рационе, т. е. это еще одна гомеостатическая функция печени. "Незаменимые" аминокислоты, описанные в разд. 10.3, не могут синтезироваться путем трансаминирования в печени и должны поступать с пищей.

Синтез белков плазмы. Белки являются жизненно необходимыми компонентами плазмы, и большинство этих белков синтезируется из аминокислот в печени. По количеству главным белком плазмы является альбумин, концентрация которого в норме составляет около 4 г на 100 мл. Он играет важную роль в поддержании онкотического давления, уравновешивающего гидростатическое давление в кровеносных сосудах. Благодаря взаимному противодействию этих двух факторов сохраняется баланс жидкости, находящейся в кровеносных сосудах и вне их (разд. 14.12.1.). Кроме того, альбумины выполняют в кровеносной системе транспортную функцию - служат переносчиками таких веществ, как кальций, триптофан, билирубин, соли желчных кислот, аспирин и некоторые стероидные гормоны. Глобулины плазмы - очень крупные молекулы, содержание которых в крови составляет около 34 г/л. Альфа- и бета-глобулины транспортируют гормоны, в том числе тироксин и инсулин, а также холестерол, липиды, железо и витамины В₁₂, A, D и К. Гамма-глобулины образуются в лимфоцитах и других клетках ретикулоэндотелиальных тканей и участвуют в иммунном ответе (разд. 14.14.3.). Важными белками плазмы являются также факторы свертывания крови, протромбин и фибриноген, функции которых описаны в разд. 14.13.5.

Печень больше участвует в метаболизме и транспорте жиров, чем в их хранении. В жировом обмене клетки печени выполняют следующие функции: превращают в жиры избыток углеводов; поглощают из крови и расщепляют холестерол и фосфолипиды, а в случае надобности синтезируют их; образуют глобулины для транспорта липидов.

В печени хранятся некоторые запасы водорастворимых витаминов В и С, особенно такие витамины группы В, как никотиновая кислота, витамин В₁₂ и фолиевая кислота. Витамин В₁₂ (цианкобаламин) и фолиевая кислота необходимы костному мозгу для образования эритроцитов, и недостаток этих витаминов приводит к различным формам анемии. Однако главные витамины, запасаемые в печени,- это жирорастворимые витамины A, D, Е и К. Печень некоторых рыб, например трески и палтуса, содержит витамины А и D в высоких концентрациях. Витамин К является незаменимым фактором свертывания крови.

Наряду с железом и калием в печени хранятся минеральные вещества, нужные в очень малых количествах (микроэлементы), такие как медь, цинк, кобальт и молибден. Железо содержится главным образом в виде ферритина - комплекса железа с бета-глобулином. У человека содержание железа в печени составляет около 1 мг на 1 г сухой массы. Большая часть этого железа находится в печени временно; оно освобождается при разрушении в печени старых эритроцитов и хранится здесь, пока не потребуется для образования новых эритроцитов в костном мозге.

Кровеносные сосуды, отходящие от селезенки и кишечника, соединяются, образуя воротную вену печени, и вместе с кровеносными сосудами самой печени содержат большой объем крови; это своего рода кровяное депо, хотя и проточное, а не инертное. Под действием симпатических нервов и выделяемого мозговым веществом надпочечников адреналина многие сосуды печени могут сужаться, и тогда в общую систему циркуляции поступает больше крови. И наоборот, при увеличении объема крови, например при ее переливании, печеночные и другие вены могут расширяться, вбирая излишки крови.

У плода образование эритроцитов (эритропоэз) происходит в печени, но постепенно эту функцию берут на себя клетки костного мозга (разд. 14.11.2.). После этого печень начинает играть прямо противоположную роль - участвует в разрушении эритроцитов и гемоглобина.

Время жизни эритроцитов составляет около 120 дней. К концу этого периода они стареют и затем разрушаются фагоцитирующими макрофагами ретикулоэндотелиальной системы печени, селезенки и костного мозга. Гемоглобин расщепляется на гем и глобин. Глобин распадается на составляющие его аминокислоты, которые поступают в общий фонд свободных аминокислот печени и используются в соответствии с потребностями. От гема отщепляется железо, а остающиеся пиррольные кольца образуют зеленый пигмент биливердин. Последний превращается в билирубин-желтый пигмент, входящий в состав желчи. Накопление билирубина в крови служит признаком заболевания печени и вызывает пожелтение кожи, называемое желтухой.

Желчь - это вязкая зеленовато-желтая жидкость, которую выделяют гепатоциты. Ее суточная секреция составляет 500-1000 мл. Желчь содержит 98% воды, 0,8% желчных кислот и их солей, 0,2% желчных пигментов, 0,7% неорганических солей и 0,6% холестерола. Она участвует в пищеварении, способствуя всасыванию жиров, и в выведении желчных пигментов.

Соли желчных кислот являются производными стероида холестерола (холестерина), образующегося в печени. Главные соли желчных кислот - это гликохолат натрия и таурохолат натрия. Они секретируются вместе с холестеролом и фосфолипидами в виде крупных частиц, называемых мицеллами. Холестерол и фосфолипиды удерживают полярные молекулы желчных солей вместе, так что все гидрофобные концы молекул ориентированы одинаково. Гидрофобные концы прикрепляются к липидным каплям, а противоположные концы - к воде. Это уменьшает поверхностное натяжение липидных капель, благодаря чему они дробятся, образуя эмульсию. Меньшие по размеру капли имеют большую общую поверхность для воздействия панкреатической липазы, расщепляющей липиды на глицерол и жирные кислоты, которые затем всасываются в кишечнике. Кроме того, соли желчных кислот активируют фермент липазу, причем их действие носит чисто физический характер. При недостатке солей желчных кислот в желчи в ней повышается концентрация холестерола, который может осаждаться в желчном пузыре или в желчных протоках в виде холестероловых желчных камней. Эти камни могут вызывать закупорку желчного протока, приводящую к весьма болезненным симптомам.

Желчные пигменты не выполняют никакой функции - это просто продукты, подлежащие удалению из организма.

Образующийся в печени холестерол (холестерин) служит предшественником для синтеза других стероидов. Главный источник холестерола - пища. Многие молочные продукты богаты холестеролом или жирными кислотами, из которых может синтезироваться холестерол. Тироксин повышает как синтез холестерола в печени, так и скорость его выделения с желчью. Избыточное содержание холестерола в крови может приводить к отложению его в стенках артерий и развитию атеросклероза (сужению артерий), что связано с повышенным риском образования тромбов - сгустков крови, которые могут закрывать просвет сосуда. Это явление называют артериальным тромбозом. Если тромбоз происходит в сердце или головном мозге, он часто приводит к смерти. Нередко холестерол считают главной причиной сердечно-сосудистых заболеваний, однако многие из приводимых доказательств спорны.

Желчь запасается в желчном пузыре и концентрируется в нем в результате всасывания ионов натрия и воды в кровеносные капилляры. Стимулятором выведения желчи в двенадцатиперстную кишку служит гормон холецистокинин (панкреозимин), описанный в разд. 10.5.

Печень не считают железой внутренней секреции, но она синтезирует и выделяет под влиянием гормона роста (продукта передней доли гипофиза) ростовые факторы, называемые соматомединами. Более детально регуляция процессов роста описана в разд. 21.8.1. В печени в той или иной степени разрушаются почти все гормоны. Тестостерон и альдостерон расщепляются довольно быстро, тогда как инсулин, глюкагон, гормоны кишечника, женские половые гормоны, гормоны надпочечников, адиуретин и тироксин разрушаются не так быстро. Таким образом печень осуществляет гомеостатический контроль над действием многих гормонов.

Этот термин относится к целому ряду гомеостатических функций печени, поддерживающих постоянство состава крови. Бактерии и другие патогенные организмы удаляются из крови синусоидов купферовскими клетками, а токсины, которые они выделяют, обезвреживаются в результате биохимических реакций, происходящих в гепатоцитах. К обезвреживанию токсинов приводят такие реакции, как окисление, восстановление, метилирование (присоединение СН₃-групп) или конденсация с другой органической или неорганической молекулой. После детоксикации эти вещества, теперь уже в виде безвредных продуктов, выводятся почками. Самым токсичным веществом, содержащимся в крови, является аммиак, о судьбе которого уже говорилось в этой главе. Детоксикации в печени подвергаются и такие вещества, как алкоголь и никотин. Избыточное потребление алкоголя в постепенно возрастающих дозах может привести к разрушению печени - заболеванию, называемому циррозом.

Некоторые виды метаболической активности печени могут таить в себе потенциальную опасность для организма. Так, например, накапливается все больше данных в пользу того, что некоторые пищевые добавки могут превращаться в печени в токсичные или канцерогенные вещества. Даже болеутоляющее средство парацетамол при избыточном его употреблении превращается в вещество, которое влияет на ферментные системы и может повреждать печень и другие ткани.

Накапливается все больше данных против широко распространенного представления, что метаболическая активность печени - один из главных источников тепла в организме. Многие метаболические процессы, происходящие в печени, являются эндотермическими, т.е. сопровождаются поглощением, а не выделением энергии. При очень сильном охлаждении тела гипоталамус действительно может усиливать экзотермические процессы в печени, стимулируя высвобождение адреналина симпатической нервной системой и секрецию тироксина. Однако при обычных температурах, как показано, печень "термически нейтральна", хотя ее температура на 1-2° выше, чем в других внутренних областях тела.

Печень служит еще одним примером тесной взаимосвязи между структурой и функцией биологических систем. Но особенно примечательно то, что многообразие функций этого органа сочетается с относительно несложным, мало дифференцированным гистологическим строением.

Рис. 18.25. Общая схема функций печени