Что превращается в жир в организме
Основные закономерности метаболических процессов в организме человека. Часть 2.
Рассматривая обмен веществ в условиях нормального функционирования организма, следует остановиться на безусловно взаимосвязанных, но в то же время достаточно специфичных составляющих метаболизма, а именно на углеводном, белковом, липидном и водно-электролитном обмене.
Очевидно, что основная роль углеводов в метаболизме определяется их энергетической функцией. Именно глюкоза крови вследствие наличия простого и быстрого пути гликолитической диссимиляции и последующего окисления в цикле трикарбоновых кислот, а также возможности максимально быстрого извлечения ее из депо гликогена, обеспечивающей экстренную мобилизацию энергетических ресурсов, является наиболее востребованным источником энергии в организме. Использование циркулирующей в плазме глюкозы разными органами неодинаково: мозг задерживает 12% глюкозы, кишечник— 9%, мышцы — 7%, почки — 5%. При этом уровень глюкозы плазмы крови является одной из важнейших гомеостатических констант организма, составляя 3, 3—5, 5 ммоль/л. Как известно снижение уровня глюкозы ниже допустимого передела имеет своим незамедлительным следствием дискоординацию деятельности ЦНС, проявляющуюся соответствующей клинической симптоматикой: головной мозг содержит небольшие резервы углеводов и нуждается в постоянном поступлении глюкозы, поскольку энергетические расходы мозга покрываются исключительно за счет углеводов. Глюкоза в тканях мозга преимущественно окисляется, а небольшая часть ее превращается в молочную кислоту.
При полном отсутствии углеводов в пище они образуются в организме из продуктов трансформации жиров и белков. В печени возможно новообразование углеводов как из собственных продуктов их распада (пировиноградной или молочной кислоты), так и из продуктов диссимиляции жиров и белков (кетокислот и аминокислот), что обозначается как глюконеогенез. В результате трансформации аминокислот образуется пировиноградная кислота, при окислении жирных кислот — ацетилкоэнзим А, который может превращаться в пировиноградную кислоту — предшественник глюкозы. Это наиболее важный общий путь биосинтеза углеводов. Между двумя основными источниками энергии — углеводами и жирами — существует тесная физиологическая взаимосвязь. Повышение содержания глюкозы в крови увеличивает биосинтез триглицеридов и уменьшает распад жиров в жировой ткани. Поступление в кровь свободных жирных кислот уменьшается. В случае возникновения гипогликемии процесс синтеза триглицеридов тормозится, ускоряется распад жиров и в кровь в большом количестве поступают свободные жирные кислоты. Гликогенез, гликогенолиз и глюконеогенез являются тесно взаимосвязанными процессами, обеспечивающими оптимальный уровень глюкозы крови сообразно степени функционального напряжения организма.
Центральным звеном регуляции углеводного и других видов обмена и местом формирования сигналов, управляющих уровнем глюкозы, является гипоталамус. Отсюда регулирующие влияния реализуются вегетативными нервами и гуморальным путем, включающим эндокринные железы. Единственным гормоном, снижающим уровень гликемии, является инсулин — гормон, вырабатываемый β-клетками островков Ланхгерганса. Снижение гликемии происходит за счет усиления инсулином синтеза гликогена в печени и мышцах и повышения потребления глюкозы тканями организма. Увеличение уровня глюкозы в крови возникает при действии нескольких гормонов. Это глюкагон, продуцируемый α-клетками островков Ланхгерганса, адреналин — гормон мозгового слоя надпочечников, глюкокортикоиды — гормоны коркового слоя надпочечников, соматотропный гормон гипофиза, тироксин и трийодтиронин — гормоны щитовидной железы. Данные гормоны в связи с однонаправленностью их влияния на углеводный обмен и функциональным антагонизмом по отношению к эффектам инсулина часто объединяют понятием «контринсулярные гормоны».
Таким образом биологическая роль углеводов для организма человека определяется прежде всего их энергетической функцией. Обладая энергетической ценностью в 16, 7 кДж (4, 0 ккал) на 1 грамм вещества, углеводы являются основным источником энергии для всех клеток организма, при этом выполняя еще пластическую и опорную функции. Суточная потребность взрослого человека в углеводах составляет около 500 г.
— пластическая (структурная) функция заключается в том, что белки являются главной составной частью всех клеточных и межклеточных структур тканей;
— ферментная (каталитическая, энзимная) функция состоит в обеспечении всех химических реакций, протекающих в ходе обмена веществ в организме (дыхание, пищеварение, выделение), деятельностью ферментов, являющихся по своей структуре белками;
— транспортная функция белков заключается в их способности к соединению с целым рядом метаболитов и переносе последних в связанном состоянии в межтканевой жидкости и плазме крови к области их утилизации;
— защитная функция белков проявляется реализацией иммунного ответа образованием иммуноглобулинов (антител) и системы комплемента при поступлении в организм чужеродного белка, а также способностью к непосредственному связыванию экзогенных токсинов; белки системы гемостаза обеспечивают свертывание крови и остановку кровотечения при повреждении кровеносных сосудов;
— регуляторная функция, направленная на сохранение гомеостаза с поддержанием биологических констатнт организма, реализуется буферными свойствами молекулы протеинов, белковой структурой клеточных рецепторов, активируемых в свою очередь регуляторными полипептидами и гормонами, также имеющими белковую структуру;
— двигательная функция, обеспечивается взаимодействием сократительных белков мышечной ткани актина и миозина;
— энергетическая роль белков состоит в обеспечении организма энергией, образующейся при диссимиляции белковых молекул; при окислении 1 г белка в среднем освобождается энергия, равная 16, 7 кДж (4, 0 ккал).
При катаболизме почти все природные аминокислоты сначала передают аминогруппу на а-кетоглутарат в реакции трансаминирования с образованием глутамата и соответствующей кетокислоты. Затем глутамат подвергается прямому окислительному дезаминированию под действием глутаматдегидрогеназы, в результате чего получаются а-кетоглутарат и аммиак. При необходимости синтеза аминокислот и наличии необходимых а-кетокислот обе стадии непрямого дезаминирования протекают в обратном направлении. В результате восстановительного аминирования а-кетоглутарата образуется глутамат, который вступает в трансаминирование с соответствующей а-кетокислотой, что приводит к синтезу новой аминокислоты. В случае использования белков в качестве источника энергии большинство аминокислот окисляются в конечном счёте через цикл лимонной кислоты до углекислого газа и воды. Прежде, чем эти вещества вовлекаются в заключительный этап катаболизма, их углеродный скелет превращается в двухуглеродный фрагмент в форме ацетил-КоА. Именно в этой форме большая часть молекул аминокислот включается в цикл лимонной кислоты.
Таблица 1. 1. Аминокислоты, входящие в состав белков человека.
1. Незаменимые
2. Частично заменимые
3. Условно заменимые
4. Заменимые
Таблица 1. 2. Классификация липидов организма человека.
1. Гликолипиды.
Содержат углеводный компонент.
2. Жиры.
3. Минорные липиды.
4. Стероиды.
А. Стерины (спирты).
Наиболее важен холестерин.
В. Стериды.
Эфиры стеринов и высших жирных кислот. Наиболее распространены эфиры холестерина.
5. Фосфолипипы.
Одним из продуктов катаболизма жиров, имеющем важное значения для метаболизма в целом являются кетоновые тела. Кетоновые тела — группа органических соединений, являющихся промежуточными продуктами жирового, углеводного и белкового обменов. К кетоновым телам относят β-оксимасляную и ацетоуксусную кислоты и ацетон, имеющие сходное строение и способные к взаимопревращениям. Главным путем синтеза кетоновых тел, происходящего в основном в печени, считается реакция конденсации между двумя молекулами ацетил-КоА, образовавшегося при β-окислении жирных кислот или при окислительном декарбоксилировании пирувата (пировиноградной кислоты) в процессе обмена глюкозы и ряда аминокислот. Данный путь синтеза кетоновых тел более других зависит от характера питания и в большей степени страдает при патологических нарушениях обмена веществ. Из печени кетоновые тела поступают в кровь и с нею во все остальные органы и ткани, где они включаются в универсальный энергообразующий цикл — цикл трикарбоновых кислот, в котором окисляются до углекислоты и воды. Кетоновые тела используются также для синтеза холестерина, высших жирных кислот, фосфолипидов и заменимых аминокислот. При голодании, однообразном безуглеводистом питании и при недостаточной секреции инсулина использование ацетил-КоА в цикле трикарбоновых кислот подавляется, так как все метаболически доступные ресурсы организма превращаются в глюкозу крови. В этих условиях увеличивается синтез кетоновых тел. Следует подчеркнуть важную роль кетоновых тел в поддержании энергетического баланса. Кетоновые тела – поставщики «топлива» для мышц, почек и действуют, возможно, как часть регуляторного механизма с обратной связью, предотвращая чрезвычайную мобилизацию жирных кислот из жировых депо. Печень в этом смысле является исключением, она не использует кетоновые тела в качестве энергетического материала.
Процесс образования, отложения и мобилизации из депо жира регулируется нервной и эндокринной системами, а также тканевыми механизмами и тесно связаны с углеводным обменом. Так, повышение концентрации глюкозы в крови уменьшает распад триглицеридов и активизирует их синтез. Понижение концентрации глюкозы в крови, наоборот, тормозит синтез триглицеридов и усиливает их расщепление. Таким образом, взаимосвязь жирового и углеводного обменов направлена на обеспечение энергетических потребностей организма. При избытке углеводов в пище триглицериды депонируются в жировой ткани, при нехватке углеводов происходит расщепление триглицеридов с образованием неэтерифицнрованных жирных кислот, служащих источником энергии. В обмене жиров одна из важнейших ролей принадлежит печени. Печень — основной орган, в котором происходит образование кетоновых тел (бета-оксимасляная, ацетоуксусная кислоты, ацетон), используемых как альтернативный глюкозе источник энергии.
Как указывалось выше метаболизм жиров контролируется нервной и эндокринной системами. Мобилизация жиров из депо происходит под влиянием гормонов мозгового слоя надпочечников — адреналина и норадреналина. Соматотропный гормон гипофиза также обладает жиромобилизирующим действием. Аналогично действует тироксин — гормон щитовидной железы. Тормозят мобилизацию жира глюкокортикоиды — гормоны коркового слоя надпочечника, вероятно, вследствие того, что они несколько повышают уровень глюкозы в крови. Действие инсулина связано с повышением активности внутриклеточной фосфодиэстеразы, что приводит к снижению концентрации цАМФ и угнетению липолиза. Таким образом, инсулин усиливает синтез жира и уменьшает скорость его мобилизации. Имеются данные, свидетельствующие о возможности прямых нервных влияний на обмен жиров. Симпатические влияния тормозят синтез триглицеридов и усиливают их распад. Парасимпатические влияния, напротив, способствуют отложению жира в депо.
Статья добавлена 31 мая 2016 г.
Куда девается жир, когда мы худеем?
Куда девается жир, когда человек худеет? Одни думают, что он выходит на поверхность кожи с потом, поэтому тренируются в пищевой пленке и поясах с эффектом сауны. Другие считают, что жир превращается в мышцы. Но выяснилось, что судьбу жира плохо представляют себе не только простые худеющие, но и терапевты, диетологи и фитнес-тренеры. Профессор Andrew J Brown и ученый Ruben Meerman опросили в общей сложности 150 представителей этих профессий и опубликовали результаты в журнале British Medical Journal.
Несмотря на рост интереса к теме похудения, до сих пор не все представляют, что происходит с жиром. Если убрать самые мифологические варианты ответов, больше половины специалистов из каждой группы — диетологов, терапевтов и фитнес-тренеров — ответили, что жир превращается в энергию, хотя это нарушает закон сохранения массы вещества. Авторы предположили, что это результат известной мантры «Чтобы худеть, надо тратить больше энергии, чем потреблять». Такой результат показал большие пробелы в школьном образовании.
В 1748 году Ломоносов обосновал закон сохранения массы вещества, который звучит так: “Вес всех веществ, вступающих в реакцию, равен весу всех продуктов реакции”. Масса не может исчезнуть в никуда и превратиться в энергию. Сколько массы было на входе, столько остается и на выходе.
Когда мы едим больше нормы, лишние углеводы и белки превращаются в триглицериды и хранятся в жировых клетках. Лишний жир в еде не нуждается ни в каких превращениях и так же хранится в адипоцитах. Молекула жирной кислоты состоит из атомов углерода — С, водорода — Н и кислорода — О, и формула ее выглядит так: C55H104O6. Для того, чтобы жир «сгорел», ему нужен кислород.
При сжигании жира происходит его окисление, реакция с кислородом. То же самое с небольшими поправками происходит при сжигании дров, бумаги и вообще примерно любых органических соединений. В случае с дровами высокая температура нужна, чтобы кислород начал реагировать с молекулами дерева. В живой клетке поднести к молекуле спичку нельзя, поэтому окисление катализируют специальные белки, но принцип один и тот же.
Александра Брутер, сотрудник Института молекулярной биологии РАН
Процесс окисления одной молекулы жира состоит из множества сложных этапов под действием окислительных ферментов, но в целом, он выглядит так:
Вся эта сложная для обычного человека химия говорит лишь о следующем: под действием кислорода молекула жира распадается на углекислый газ и воду с освобождением энергии. Жир не превращается в энергию. Энергия запасена в химических связях между атомами в молекуле. Когда молекула распадается, энергия, которая держала атомы, высвобождается. Ее и использует организм.
Освободившиеся атомы соединяются с кислородом — так получается углекислый газ и вода. Именно в них превращается жир. Углекислый газ покидает тело с дыханием, вода уходит с мочой, потом и так же через дыхание. Таким образом, через легкие выводится бОльшая часть бывшего жира. В каком-то смысле легкие — основной жировыводящий орган.
Чтобы похудеть на 10 кг жира, нужно вдохнуть 29 кг кислорода, выдохнуть 28 кг углекислого газа и вывести из организма разными способами 11 литров воды.
Нужно ли для похудения больше дышать?
Вывод, который напрашивается: если для похудения нужен кислород, нужно больше/глубже/чаще дышать, чтобы худеть быстрее? Существуют даже дыхательно-похудательные методики тренировок, обещающие скорейшее похудение — знаменитый бодифлекс, например.
В реальности это так не работает. Энергия из жира берется ровно в том количестве, которое нужно организму, то есть — по потребностям. Кислород — одно из условий сгорания жира, но это не пусковой крючок к его извлечению из жировых клеток. А процесс похудения начинается именно с этого: жир сначала нужно достать из клеток, и отвечают за это гормоны. Сигнал им дает центральная нервная система, которая видит недостаток энергии. Усиленное дыхание приводит только к гипервентиляции, головокружениям, учащенному сердцебиению, а иногда и к обморокам.
Выводы
Жир не выходит на поверхность кожи с потом, поэтому занятия в пищевой пленке и костюме-сауне бессмысленны и опасны. Жир не превращается в мышцы, такого механизма в организме нет.
Но жир не превращается и в энергию — это нарушает закон сохранения массы вещества. Энергия запасена в химических связях между атомами в молекуле. Когда молекула распадается, энергия, которая держала атомы, высвобождается. Ее и использует организм. Освободившиеся атомы соединяются с кислородом — так получается углекислый газ и вода. Именно в них превращается жир и уходит из организма.
Всё про жир в нашем теле: исчерпывающий гайд от ПостНауки
Как вес становится лишним и что с этим делать
— Жировая ткань — это важнейший участник эндокринной системы. Например, именно в жировой ткани мы можем наблюдать ароматизацию тестостерона или его своеобразный переход в эстрогены. Поэтому у мужчин с избыточной массой тела есть риск снижения половой функции и развития гормонально-зависимых опухолей.
Как физическая активность помогает убрать белый жир?
Ученые заметили, что во время тренировок скелетные мышцы выделяют белок иризин. Этот регуляторный пептид влияет на дифференцировку клеток жировой ткани, а также на активность белка, регулирующего переход белого жира в бурый. Так что теория о том, что физическая активность помогает уменьшить количество белого жира, подтверждается. Сейчас представители фарминдустрии изучают, как формируется и действует иризин, потому что потенциально он может помочь людям с избыточной массой тела.
— Существует такое понятие, как метаболически здоровое ожирение. Например, ко мне за консультацией обратился пациент, который весил 220 килограммов при росте 185 сантиметров, и по всем показателям он был практически здоровым человеком. За время наблюдения он даже успел стать отцом. Такие случаи мы относим к парадоксальному ожирению. Их не так много, но все-таки они встречаются.
Для чего нужен жир в организме?
Для чего нужен (и нужен ли) жир? Всегда ли жир — это плохо? Нужно ли стремиться к минимальному проценту жира в теле?
Жир — намного больше, чем просто пассивное хранилище энергии. Хотя жировые клетки удивительно хорошо приспособлены к этой роли, жир — еще и активная ткань, которая влияет на обмен веществ.
Жировые клетки называются адипоцитами. Больше всего их под кожей, этот жир так и называется — подкожным. Ещё жир бывает в брюшной полости вокруг органов, этот жир называется висцеральным, и его избыток грозит проблемами со здоровьем (например, повышаются риски сердечно-сосудистых заболеваний). Совсем немного жира есть в мышцах.
В организме человека может быть от XXX до YYY миллиардов жировых клеток, диаметр которых — от 70 до 120 мкм (мкм — это одна миллионная метра).
На 80-95% жир состоит из триглицеридов (молекула глицерина, связанная с тремя цепочками свободных жирных кислот). Оставшаяся часть клетки — вода, а также разное клеточное «оборудование», которое производит ферменты и разные другие вещества, необходимые клеткам для работы.
Жир — место хранения энергии
Основная роль жировых клеток — хранение энергии. И в плоть до 1994 года считалось, что это единственная их функция — пассивная кладовка для лишней энергии, поступающей с едой. А в 94 году открыли гормон лептин, который играет очень большую роль в обмене веществ, о чем — ниже.
Стройный мужчина весом 72 кг и с 15% жира в теле имеет 11 кг жира, т.е. около 84000 калорий сохраненной энергии. Если его скорость метаболизма 2400 калорий/день, то даже при полном голодании свои запасы жира он истратит через 35 дней. А ж ировые запасы тучных людей помогут им прожить без еды несколько месяцев.
Для сравнения: другое место хранения энергии — гликоген мышц и печени — это всего около 500 грамм. Каждый его грамм дает 4 калории энергии, так что это всего 2000 калорий. Некоторым этого н е хватит, просто чтобы покрыть нужды организма по энергии на один день. Так что жир в плане хранения энергии идеален.
Кроме того, жировая клетка может сильно увеличиваться в размерах и «сдуваться», когда мы худеет. То есть, она не исчезает и всегда готова заполниться вновь.
Жир и эволюция
Современному человеку часто кажется, что тело его ненавидит: оно неохотно отдаёт жир, предпочитая избавляться от мышц, оно приспосабливается к любому ограничению калорий, снижая обмен веществ, к любым самым лучшим тренировкам, оно намертво удерживает жир в проблемных зонах.
Наше тело не знает, что мы живем в 21 веке. Избыток еды и сидячий образ жизни 50 лет — пока ничто против десятков тысяч лет выживания в тяжелых условиях.
А с точки зрения выживания жир — идеальное хранилище энергии. Он легко копится, запасы его могут пополняться очень и очень долго, а если клетка раздуется до предельного состояния, организм создаст новые клетки (подробнее об этом — ниже).
На своё существование жиру, в отличие от мышц, почти не нужна энергия. Поэтому выживали и передавали гены те из наших предков, кто был способен накопить много жира и пережить холод и голод.
Таким образом, с пособность хранить огромное количество энергии в совсем небольшом пространстве — отличное эволюционное преимущество, которое помогало нашим предкам выживать в периоды, когда еда была недоступна. Большинство из нас запрограммировано иметь много запасов энергии и «лишний» по современным меркам вес (не говорим здесь о клиническом ожирении).
Жир у мужчин и женщин
У мужчин жир откладывается, в основном, на животе.
Женские проблемные зоны — бедра. Этот жир должен обеспечить энергию для грудного вскармливания. Это именно тот «упрямый» жир, который часто не уходит, даже если девушка похудела по всему телу. А в период лактации этот жир становится легче мобилизовать.
«Мужской» тип отложения жира (на животе и в верхней части тела) бывает при избытке в женском организме тестостерона.
Кроме того, многие исследования четко показали, что мужчины отдают предпочтение определенному соотношению талия/бедра, что предполагает плодородие и здоровье у женщин. Узкая талия и пышные бедра выбираются во много раз чаще, чем узкие бедра и лишний жир на животе. А некоторые из причин, которые вызывают отложение жира вокруг живота и органов, связаны с бесплодием — например, синдром поликистозных яичников (который так же связан с переизбытком тестостерона).
Рост жировых клеток
И если эти новые клетки тоже становятся слишком большими, тело будет продолжать делать новые. К сожалению, избавиться от вновь созданных жировых клеток можно только хирургически.
Кстати, новый класс диабетических препаратов (TZD) работает именно так — стимулируя производство новых жировых клеток, что дает возможность «убрать» глюкозу и жиры из кровотока в более безопасное место. Это чрезвычайно важно для людей, страдающих диабетом.
Жир и здоровье
Спросите любого человека, и услышите, что жир — это плохо, и от него надо избавляться. Сегодня внимание людей приковано ко вреду жира для здоровья, и это, конечно, правильно. Ожирение вызывает резистентность организма к инсулину и диабет, как следствие, поддерживает хронические воспаления, метаболический синдром так же связан с ожирением.
Но ж ир играет важную роль в здоровье человека, не считая чисто энергетической его ценности и защиты от голодной смерти. В то время как избыток жира несет риски для здоровья, слишком маленький процент жира может так же вызывать проблемы.
Одна из функций жира — механическая защита внутренних органов. Ж ир позволяет рассеивать силы более эффективно, чем мышцы, защищая органы от ударов или их опущения (например, опущение почек иногда связывают с недостаточным количеством жира в организме).
Жировые клетки также выступают в качестве изоляции, сохраняя тепло в организме.
Жировые клетки играют важнейшую роль в иммунных и воспалительных реакциях. Преадипоциты, о которых написано выше, действуют как макрофаги — клетки, которые играют роль в правильном ответе иммунной системы. К онечно, это не оправдание для лишнего веса, н о люди, достигшие минимального процента жира сообщают, что зачастую болеют чаще, х отя это, безусловно, лишь часть проблемы.
До 1994 года жировая клетка воспринималась просто как пассивное место для хранения энергии. Но оказалось, что жировые клетки делают гораздо больше, и способны влиять на общий обмен веществ, выделяя активные соединения. Так жировая ткань стала, по-сути, эндокринной железой. Неполный список соединений, вырабатываемых жировыми клетками:
Лептин — гормон, который участвует в регуляции аппетита, уровня гормонов (в т.ч. половых), управляет жировыми запасами и мышечной массой.
Ангиотензин II — гормон, который участвует в регуляции артериального давления и контролирует приток крови к самой жировой клетке.
Фактор некроза опухоли-α — белок, котрый влияет на метаболизм жиров, коагуляцию, устойчивость к инсулину, активирует лейкоциты, один из важных факторов защиты от вирусов.
Воспалительные цитокины, такие как ИЛ-6 — участвуют в иммунной функции.
Метаболизм гормонов. Жировые клетки также являются одним из основных мест метаболизма гормонов. Тестостерон превращается в эстроген (с помощью фермента ароматазы) в жировых клетках и у мужчин, и у женщин. Метаболизм других гормонов, таких как ДГЭА и андростендиона также происходит в жировых клетках. Кортизол также метаболизируется в жировых клетках с помощью фермента 11-бета-стероидного дегидрогеназы (11-бета-HSD).
И это только беглый взгляд на некоторые вещи, которые жировые клетки делают в организме. О ткрытие, что жировые клетки — больше, чем пассивное место для хранения энергии, произвело революцию в изучении ожирения, и в настоящее время сотни исследований посвящены всему тому огромному количеству гормонов и соединений, которые выделяются жировыми клетками, как и их влиянию на обмен веществ человека.