2020
ТИМИН ОЛЕГ АЛЕКСЕЕВИЧ
Лекции по общей биохимии
ДЛЯ СТУДЕНТОВ МЕДИЦИНСКИХ ВУЗОВ
ОГЛАВЛЕНИЕ
АМИНОКИСЛОТЫ И БЕЛКИ ........................................................................................................... 4
Классификация аминокислот ................................................................................................... 4
Аминокислоты как лекарственные препараты ........................................................................ 8
Физико-химические свойства аминокислот ............................................................................ 9
Строение и свойства пептидной связи .................................................................................. 10
Функции белков ...................................................................................................................... 11
Уровни организации белковой структуры ............................................................................ 12
Физико-химические свойства белков .................................................................................... 17
Классификация белков ........................................................................................................... 19
ВИТАМИНЫ ................................................................................................................................. 31
Жирорастворимые витамины ................................................................................................. 33
Водорастворимые витамины .................................................................................................. 41
ФЕРМЕНТЫ ................................................................................................................................. 55
Строение ферментов............................................................................................................... 57
Принципы количественного определения активности ферментов ...................................... 60
Свойства ферментов ............................................................................................................... 60
Регуляция активности ферментов in vivo .............................................................................. 64
Ингибирование ферментов .................................................................................................... 67
Энзимопатологии ................................................................................................................... 70
Использование ферментов и их ингибиторов в медицине.................................................... 70
Классификация ферментов .................................................................................................... 72
Номенклатура ферментов....................................................................................................... 73
ОБЩИЕ ПУТИ БИОЛОГИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ .......................................................................... 81
Основные источники энергии в клетке ................................................................................. 83
Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты ...................................... 84
Цикл трикарбоновых кислот .................................................................................................. 86
Окислительное фосфорилирование ....................................................................................... 89
Разобщители ........................................................................................................................... 93
Ингибиторы ферментов дыхательной цепи .......................................................................... 94
Коэффициент Р/О ................................................................................................................... 95
Гипоэнергетические состояния .............................................................................................. 95
Использование АТФ и его предшественников в медицине .................................................. 96
ОБМЕН АМИНОКИСЛОТ И БЕЛКОВ .............................................................................................. 97
Азотистый баланс ................................................................................................................... 97
Внешний обмен аминокислот и белков ................................................................................. 98
Транспорт аминокислот через мембраны ............................................................................ 103
Нарушение процессов переваривания белков ..................................................................... 105
Детоксикационные системы печени .................................................................................... 107
Внутриклеточный обмен аминокислот................................................................................ 108
ОБРАЗОВАНИЕ И УБОРКА АММИАКА ......................................................................................... 123
Основные источники аммиака в организме ........................................................................ 123
Связывание аммиака ............................................................................................................ 123
Транспорт аммиака ............................................................................................................... 124
Удаление аммиака из организма .......................................................................................... 125
Гипераммониемии ................................................................................................................ 127
Гипотезы токсичности аммиака ........................................................................................... 128
ОБМЕН ОТДЕЛЬНЫХ АМИНОКИСЛОТ ........................................................................................ 129
Пути использования глутаминовой и аспарагиновой кислот ............................................. 129
Пути использования цистеина ............................................................................................. 129
Пути использования глицина и серина ................................................................................ 131
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2018г) 2
Взаимосвязь обмена глицина, серина, цистеина и метионина ........................................... 132
Обмен фенилаланина и тирозина ......................................................................................... 133
Катаболизм аминокислот с разветвленной цепью .............................................................. 141
Обмен триптофана ................................................................................................................ 142
Обмен аргинина .................................................................................................................... 143
СТРОЕНИЕ И ОБМЕН НУКЛЕОТИДОВ ......................................................................................... 146
Внешний обмен нуклеопротеинов ....................................................................................... 146
Пуриновые нуклеотиды ....................................................................................................... 147
Нарушение обмена пуриновых оснований .......................................................................... 153
Пиримидиновые нуклеотиды ............................................................................................... 155
Синтез дезоксирибонуклеотидов ......................................................................................... 157
Нарушение обмена пиримидиновых оснований ................................................................. 161
Нуклеозиды и нуклеотиды как лекарственные препараты ................................................. 161
МАТРИЧНЫЕ БИОСИНТЕЗЫ....................................................................................................... 162
Строение нуклеиновых кислот ............................................................................................ 162
Синтез нуклеиновых кислот ................................................................................................ 166
Синтез белка – трансляция ................................................................................................... 176
Генотипическая гетерогенность .......................................................................................... 181
СТРОЕНИЕ И ОБМЕН УГЛЕВОДОВ .............................................................................................. 182
Функции углеводов .............................................................................................................. 182
Классификация ..................................................................................................................... 182
Использование углеводов в биологии и медицине ............................................................. 187
Внешний обмен углеводов ................................................................................................... 187
Переваривание углеводов у детей ....................................................................................... 188
Перенос глюкозы через мембраны ...................................................................................... 189
Реакции взаимопревращения сахаров ................................................................................. 190
Судьба и источники глюкозы в клетке ................................................................................ 193
Метаболизм гликогена ......................................................................................................... 195
Гликогеновые болезни ......................................................................................................... 200
Окисление глюкозы .............................................................................................................. 202
Глюконеогенез ...................................................................................................................... 209
Метаболизм этанола ............................................................................................................. 215
Пентозофосфатный путь окисления глюкозы ..................................................................... 217
Регуляция концентрации глюкозы в крови ......................................................................... 221
СТРОЕНИЕ И ОБМЕН ЛИПИДОВ ................................................................................................. 223
Классификация липидов ...................................................................................................... 223
Функции липидов ................................................................................................................. 223
Строение липидов ................................................................................................................ 225
Внешний обмен липидов ...................................................................................................... 232
Свойства, состав и функции желчи ..................................................................................... 234
Переваривание липидов у детей .......................................................................................... 237
Нарушение переваривания липидов .................................................................................... 237
Всасывание липидов ............................................................................................................ 238
Формы транспорта липидов в крови.................................................................................... 240
Транспорт триацилглицеролов ............................................................................................ 240
Промежуточный обмен липидов ......................................................................................... 243
Кетоновые тела ..................................................................................................................... 250
Запасание жиров ................................................................................................................... 252
Синтез триацилглицеролов и фосфолипидов ...................................................................... 256
Нарушения обмена триацилглицеролов .............................................................................. 261
Обмен холестерола ............................................................................................................... 262
Транспорт холестерола и его эфиров................................................................................... 264
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2018г) 3
Нарушения обмена холестерола .......................................................................................... 267
Нарушения транспорта липидов .......................................................................................... 269
Липидозы .............................................................................................................................. 271
ГОРМОНЫ ................................................................................................................................. 272
Классификация гормонов ..................................................................................................... 272
Механизмы действия гормонов ........................................................................................... 273
Иерархия и принципы регуляции гормональных систем ................................................... 277
Гормоны гипоталамуса ........................................................................................................ 278
Гормоны гипофиза ............................................................................................................... 278
Гормоны, регулирующие обмен кальция и фосфора .......................................................... 282
Гормоны тиреоидной функции ............................................................................................ 284
Гормоны периферических желез ......................................................................................... 288
Группа гормонов репродуктивной системы ........................................................................ 297
Гормоны гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы ........................................ 304
АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ВЕЩЕСТВА КРОВИ ..................................................................................... 308
Белки крови.......................................................................................................................... 308
Индивидуальные белки плазмы крови ................................................................................ 311
Ферменты крови ................................................................................................................... 314
Остаточный азот крови ........................................................................................................ 315
ОБМЕН ЖЕЛЕЗА ......................................................................................................................... 317
Метаболизм железа .............................................................................................................. 317
Регуляция обмена железа ..................................................................................................... 319
Нарушение обмена железа ................................................................................................... 321
ГЕМОПРОТЕИНЫ. ОБМЕН ГЕМА ............................................................................................... 323
Строение и синтез гема ........................................................................................................ 323
Миоглобин ............................................................................................................................ 325
Гемоглобин ........................................................................................................................... 326
Дыхательная функция крови ................................................................................................ 330
Катаболизм гема ................................................................................................................... 331
Нарушения обмена билирубина ........................................................................................... 333
КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ СОСТОЯНИЕ ........................................................................................ 338
Роль ионов водорода ............................................................................................................ 338
Основные показатели КОС .................................................................................................. 338
Компенсация изменений концентрации ионов водорода в плазме крови .......................... 342
Виды нарушений кислотно-основного состояния и их компенсация ................................ 347
ВОДНЫЙ БАЛАНС ....................................................................................................................... 351
БИОХИМИЯ ПЕЧЕНИ .................................................................................................................. 353
Функции печени ................................................................................................................... 354
АМИНОКИСЛОТЫ И БЕЛКИ
Аминокислоты по строению они являются органическими кар-боновыми кислотами, у которых, как минимум, один атом водорода замещен на аминогруппу. Таким образом, в аминокислотах обяза-тельно присутствует карбоксильная группа (СООН), аминогруппа (NH2), асимметричный атом углерода и боковая цепь (радикал R). Строением боковой цепи аминокислоты и отличаются друг от друга. Именно радикал придает аминокислотам большое разнообразие стро-ения и свойств.
Аминокислоты являются строительными блоками белковых молекул, но необходимость их изучения кроется не только в данной функции. Несколько аминокислот являются источни-ком для образования нейромедиаторов в ЦНС (гистамин, серотонин, гамма-аминомасляная кислота, дофамин, норадреналин), другие сами являются нейромедиаторами (глицин, глута-миновая кислота).
Те или иные аминокислоты необходимы для синтеза пуриновых и пиримидиновых ос-нований без которых нет нуклеиновых кислот, используются для синтеза низкомолекулярных биологически важных соединений (креатин, карнитин, карнозин, ансерин и др.).
Аминокислота тирозин целиком входит в состав гормонов щитовидной железы (тирок-син, трийодтиронин) и мозгового вещества надпочечников (адреналин, норадреналин).
С нарушением обмена аминокислот связан ряд наследственных и приобретенных за-болеваний, сопровождающихся серьезными проблемами в развитии организма (цистиноз, го-моцистеинемия, лейциноз, тирозинемии и др). Самым известным примером является фенил-кетонурия.
КЛАССИФИКАЦИЯ АМИНОКИСЛОТ
Из-за разнообразного строения и свойств классификация аминокислот может быть раз-личной, в зависимости от выбранного качества аминокислот. Аминокислоты делятся:
1. В зависимости от положения аминогруппы.
2. По абсолютной конфигурации молекулы.
3. По оптической активности.
4. По участию аминокислот в синтезе белков.
5. По строению бокового радикала.
6. По кислотно-основным свойствам.
7. По необходимости для организма.
В зависимости от положения аминогруппы
Выделяют и другие аминокислоты. Для организма млекопитающих наиболее ха-рактерны -аминокислоты.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 5
По абсолютной конфигурации молекулы
По абсолютной конфигурации молекулы выделяют D- и L-формы. Различия между изомерами связаны с взаимным расположением четырех замещающих групп, находящихся в вершинах воображаемого тетраэдра, центром которого является атом углерода в -положе-нии.
В белке любого организма содержится только один изомер, для млекопитающих это L-аминокислоты. Однако оптические изомеры претерпевают самопроизвольную нефермента-тивную рацемизацию, т.е. L-форма переходит в D-форму.
По оптической активности
По оптической активности аминокислоты де-лятся на право- и левовращающие.
Наличие ассиметричного атома углерода (хи-рального центра) делает возможным только два расположения химических групп вокруг него. Это приводит к особому отличию веществ друг от друга, а именно – изменению направления враще-ния плоскости поляризованного света, проходя-щего через раствор. В соответствии с углом пово-рота выделяют правовращающие (+) и левовращающие (–) изомеры.
Деление на L- и D-формы не соответствует делению на право- и левовращающие. Для одних аминокислот L-формы (или D-формы) являются правовращающими, для других – левовращающими. Например, L-аланин – правовращающий, а L-фенилаланин – левовращающий. При смешивании L- и D-форм одной аминокис-лоты образуется рацемическая смесь, не обладающая оптической активностью.
По участию аминокислот в синтезе белков
Выделяют протеиногенные (20 АК) и непротеиногенные (около 40 АК). Все протеино-генные аминокислоты являются -аминокислотами.
На примере протеиногенных аминокислот можно показать дополнительные способы классификации:
o по строению бокового радикала – неполярные (алифатические, ароматические) и по-лярные (незаряженные, отрицательно и положительно заряженные),
Аминокислоты и белки 6
o электрохимическая – по кислотно-основным свойствам подразделяют нейтральные (большинство), кислые (Асп, Глу) и основные (Лиз, Арг, Гис) аминокислоты,
o физиологическая классификация – по необходимости для организма выделяют неза-менимые (Лей, Иле, Вал, Фен, Три, Тре, Лиз, Мет) и заменимые. Две аминокислоты яв-ляются условно незаменимыми (Арг, Гис), т.е. их синтез происходит в недостаточном количестве.
По полярности молекулы
К неполярным относят аминокислоты, имеющие алифатические углеводородные цепи (аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, пролин) и ароматические кольца (фенилаланин, триптофан, тирозин).
К полярным незаряженным относятся аминокислоты, имеющие гидроксильные группы (серин, треонин, тирозин), амидные группы (аспарагин, глутамин), тиольную группу (ци-стеин) и глицин.
Аспарагиновая и глутаминовая аминокислоты имеют в радикале дополнительную кар-боксильную группу, отрицательно заряжены и, соответственно, полярны. К аминокислотам с полярными положительно заряженными радикалами относятся лизин, аргинин, гистидин.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 7
Аминокислоты и белки 8
АМИНОКИСЛОТЫ КАК ЛЕКАРСТВЕННЫЕ ПРЕПАРАТЫ
Метионин, незаменимая кислота, содержит мобильную метильную группу, которая мо-жет передаваться на другие соединения. Благодаря этому она участвует в синтезе холина, фос-фолипидов, обмене витаминов В12 и фолиевой кислоты. В реакциях биосинтеза белка метио-нин является инициирующей аминокислотой. Он участвует в процессах обезвреживания ток-синов в печени.
Метионин ("ациметион") и его активные производные (как вещество "адеметионин" в составе препарата "Гептрал") используют для профилактики и лечения различных заболева-ний печени как липотропный фактор, препятствующий накоплению жира, при токсических поражениях печени, при атеросклерозе и в качестве антидепрессанта для улучшения синтеза нейромедиаторов.
Глутаминовая кислота – является предшественником -аминомасляной кислоты (ГАМК), являющейся тормозным медиатором нервной системы (препараты "Аминалон", "Пи-камилон"). ГАМК также играет значительную роль в регуляции тонуса мозговых сосудов кро-вообращении головного мозга. Сам по себе глутамат является нейромедиаторной аминокис-лотой, стимулирующей передачу возбуждения в синапсах ЦНС. Кроме этого, глутамат участ-вует в обезвреживании аммиака, синтезе пуриновых и пиримидиновых оснований, играет ве-дущую роль в обмене других аминокислот. Потребность организма в глутаминовой кислоте выше всех остальных аминокислот.
Глицин является медиатором ЦНС тормозного действия. Улучшает метаболизм в тканях мозга. Оказывает успокаивающее действие. Нормализует сон, уменьшает повышенную раз-дражительность, депрессивные состояния.
Цистеин участвует в метаболизме хрусталика глаза. Зачастую нарушения хрусталика связаны с недостатком цистеина, поэтому цистеин применяют на начальных стадиях ката-ракты.
Комплексный препарат глутаминовой кислоты, цистеина и глицина "Вицеин" исполь-зуют в виде глазных капель.
Гистидин – условно незаменимая аминокислота. Используется при лечении гепатитов, язв желудка и двенадцатиперстной кишки.
Церебролизин – гидролизат вещества мозга свиньи, содержащий низкомолекулярные пептиды (15%) и аминокислоты (85%). Используется при нарушениях функций ЦНС, мозго-вых травмах, кровоизлияниях, вегетативных дистониях и т.п.
Препараты для парентерального питания: полиамин (набор 13 аминокислот), вамин (набор 18 аминокислот), ваминолакт (набор 18 аминокислот, соответствующих составу груд-ного молока), гидролизин (гидролизат белков крови крупного рогатого скота), аминотроф (гидролизат казеина), аминосол (смесь 15 аминокислот), фибриносол (гидролизат фибрина крови).
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 9
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ
1. Являются амфотерными электролитами.
Аминокислоты сочетают в себе свойства кислот и оснований. Соответственно, в водном растворе аминокислоты ведут себя как кис-лоты – доноры протонов и как основания – ак-цепторы протонов.
Если общий заряд аминокислоты равен 0, то это ее состояние называют изоэлектриче-ским. Величина рН, при которой заряд аминокислоты равен 0, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ, pI). Значение изоэлектрической точки зависит от строения радикала аминокис-лоты:
o pI большинства аминокислот располагается в диапазоне рН от 5,5 (фенилаланин) до 6,3 (пролин),
o pI кислых аминокислот – рI глутамата 3,2, рI аспартата 2,8,
o pI основных аминокислот – pI гистидина 7,6, pI аргинина 10,8, pI лизина 9,7.
pI гистидина позволяет ему использоваться в гемоглобиновой буферной системе и в функции особых веществ миоцитов (карнозина, анзерина) в которых он содер-жится. Эти соединения легко принимают и легко отдают ионы водорода при ма-лейших сдвигах рН среды (в норме 7,35-7,45).
2. Заряд аминокислот зависит от величины рН среды.
Отправным пунктом для понимания причин появления заряда у аминокислот является величина изоэлектрической точки (pI). Ситуация различается для нейтральных, кислых и основных аминокислот.
Аминокислоты и белки 10
СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ПЕПТИДНОЙ СВЯЗИ
Аминокислоты способны соединяться между собой связями, которые называются пеп-тидными, при этом образуется полимерная молекула.
Пептидная связь – это связь между -карбоксильной группой одной аминокислоты и -аминогруппой другой аминокислоты.
При необходимости назвать пептид ко всем названиям аминокислот добавляют суффикс "-ил", только последняя аминокислота сохраняет свое название неизменным.
Например, аланил-серил-триптофан или -глутаминил-цистеинил-глицин (по-другому называемый глутатион).
К свойствам пептидной связи относятся:
1. Трансположение заместителей (радикалов) аминокислот по отношению к C-N связи.
2. Копланарность
Все атомы, входящие в пептидную группу, находятся в одной плоскости, при этом атомы "Н" и "О" расположены по разные стороны от пептидной связи.
3. Наличие кетоформы и енольной формы.
4. Способность к образованию двух водородных связей. Атомы кислорода и водорода, вхо-дящие в пептидную группу, обладают способностью образовывать водородные связи с ато-мами кислорода и водорода других пептидных групп.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 11
5. Пептидная связь имеет частично характер двойной связи. Ее длина меньше, чем оди-нарной связи, она является жесткой структурой, и вращение вокруг нее затруднено.
Но так как, кроме пептидной, в белке есть и другие связи, цепочка аминокислот способна вращаться вокруг основной оси, что придает белкам различную конформацию (простран-ственное расположение атомов).
ФУНКЦИИ БЕЛКОВ
1. Структурная:
o в соединительной ткани и коже – коллаген, эластин, кератин,
o межклеточное пространстве формируют протеогликаны, коллаген, эластин,
o построение мембран и формирование цитоскелета (интегральные, полуинтегральные и поверхностные белки) – спектрин (поверхностный, основной белок цитоскелета эритро-цитов), гликофорин (интегральный, фиксирует спектрин на поверхности),
o построение органелл – рибосомы.
2. Ферментативная:
Все ферменты являются белками, хотя имеются экспериментальные данные о суще-ствовании рибозимов, т.е. рибонуклеиновой кислоты, обладающей каталитической активно-стью.
3. Гормональная:
Регуляция и согласование обмена веществ в разных клетках организма – такие гормоны как инсулин и глюкагон являются белками, все гормоны гипофиза являются пептидами или небольшими белками.
4. Рецепторная:
Избирательное связывание гормонов, биологически активных веществ и медиаторов на поверхности мембран или внутри клеток.
5. Транспортная:
Перенос веществ в крови – липопротеины (перенос жира), гаптоглобин (транспорт гема), трансферрин (транспорт железа) или через мембраны – Na+,К+-АТФаза (противопо-ложный трансмембранный перенос ионов натрия и калия), Са2+-АТФаза (выкачивание ионов кальция из клетки).
6. Резервная:
Аминокислоты и белки 12
Производство и накопление в яйце яичного альбумина как депо для развития цыпленка. У животных и человека таких специализированных депо нет, но в некотором смысле в каче-стве депо выступают белки мышц, лимфоидных органов, эпителиальных тканей и печени. Эти белки мобилизуются при длительном голодании.
7. Питательная:
Белки грудного молока, использование организмом тканевых белков при голодании.
8. Защитная:
Защитную функцию, предупреждая инфекционный процесс и сохраняя устойчивость ор-ганизма, выполняют иммуноглобулины крови, факторы системы комплемента (пропердин), при повреждении тканей работают белки свертывающей системы крови - например, фибри-ноген, протромбин, антигемофильный глобулин. Механическую защиту в виде слизистых и кожи осуществляют коллаген и протеогликаны.
К защитной функции также можно отнести поддержание постоянства коллоидно-осмо-тического давления крови, интерстиция и внутриклеточных пространств. Белковая буферная система участвует в регуляции кислотно-щелочного состояния.
УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ БЕЛКОВОЙ СТРУКТУРЫ
Белок – это последовательность аминокислот, связанных друг с другом пептидными связями. Если количество аминокислот не превышает 10, то новое соединение называется пептид; если от 10 до 40 аминокислот – полипептид, если более 40 аминокислот – белок.
Линейная молекула белка, образующаяся при соединении аминокислот в цепь при по-мощи пептидных связей, является первичной структурой. Образно ее можно сравнить с обычной нитью, на которую навешено до нескольких сотен бусинок двадцати различных цве-тов (по числу аминокислот). Строение аминокислот, их последовательность и соотношение в первичной структуре определяет дальнейшее поведение молекулы: ее способность изги-баться, сворачиваться, формировать те или иные связи внутри себя.
Формы молекулы, создаваемые при свертывании, последовательно могут принимать вторичный, третичный и четвертичный уровень организации.
На уровне вторичной структуры белковые "бусы" способны укладываться в виде спи-рали (подобно дверной пружине) и в виде складчатого слоя, когда "бусы" уложены змейкой и удаленные части "бус" оказываются рядом.
Укладка белка во вторичную структуру плавно переходит в формирование третичной структуры. Третичная структура – это отдельные глобулы, в которых белок уложен ком-пактно, в виде трехмерного клубка.
Некоторые белковые глобулы существуют и выполняют свою функцию не поодиночке, а группами по две, три и более штук. Такие группы образуют четвертичную структуру белка.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 13
ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА
Это последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Учитывая, что в синтезе белков принимает участие 20 аминокислот и средний белок содержит 500 аминокислотных остатков, то можно говорить о невообразимом количестве потенциально возможных белков. В организме человека обнаружено около 100 тысяч различных белков.
Первичная структура белков задается последовательностью нуклеотидов в ДНК. Выпа-дение, вставка, замена нуклеотида приводит к изменению аминокислотного состава и, следо-вательно, структуры синтезируемого белка.
Например, при серповидноклеточной анемии в 6 положении -цепи гемоглобина проис-ходит замена Глу на Вал. Это приводит к синтезу HbS – такого гемоглобина, который в дез-оксиформе полимеризуется и образует кристаллы. В результате эритроциты деформируются, приобретают форму серпа (банана), теряют эластичность и при прохождении через капилляры разрушаются. Это в итоге приводит к анемии, снижению оксигенации тканей и их некрозу.
Если изменение последовательности аминокислот носит не летальный характер, а при-способительный или хотя бы нейтральный, то такой белок может передаться по наследству и остаться в популяции. В результате возникают новые белки и новые качества организма. Такое явление называется полиморфизм белков.
К примеру, возникновение групп крови АВ0 связано с тремя вариантами фермента, осуществляющего присоединение к олигосахариду мембран эритроцитов либо N-ацетилгалактозы (группа А), либо галактозы (группа В), либо фермент не присо-единяет дополнительные сахаридные группы (группа 0).
Последовательность и соотношение аминокислот в первичной структуре определяет формирование вторичной, третичной и четвертичной структур.
ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА
Вторичная структура – это способ укладки полипептидной цепи в упорядоченную струк-туру, при которой аминокислоты взаимодействуют через пептидные группы.
Формирование вторичной структуры вызвано стремлением пептида принять конформа-цию с наибольшим количеством водородных связей между пептидными группами. Вторичная структура определяется:
o устойчивостью пептидной связи,
o подвижностью С-С связи,
o размером аминокислотного радикала.
Все это вкупе с аминокислотной последовательностью приводит к строго определенной конфигурации белка.
Можно выделить два возможных варианта вторичной структуры: -спираль (струк-тура) и -структура (-складчатый слой). Вторичная структура образуется при участии только водородных связей между пептидными группами: атом кислорода одной группы реагирует с
Аминокислоты и белки 14
атомом водорода следующей, одновременно кислород этой пептидной группы связывается с водородом еще одной и т.д. В одном белке, как правило, одновременно присутствуют -спи-раль и -структура. В глобулярных белках преобладает -спираль, в фибриллярных – -складчатый слой.
-СПИРАЛЬ
Правозакрученная спираль, образуется при помощи водородных связей между пептид-ными группами 1-го и 4-го, 4-го и 7-го, 7-го и 10-го и так далее аминокислотных остатков.
Формированию спирали препятствуют пролин и гидроксипролин, которые обусловли-вают “перелом” цепи, ее резкий изгиб.
Высота витка составляет 0,54 нм и соответствует 3,6 аминокислотных остатков, 5 пол-ных витков соответствуют 18 аминокислотам и занимают 2,7 нм.
-СКЛАДЧАТЫЙ СЛОЙ
При формировании -структуры аминокислоты одной белковой цепи взаимодействуют друг с другом при помощи водородных связей между пептидными группами. В этом спо-собе укладки белковая молекула лежит "змейкой", удаленные отрезки цепи оказываются по-близости друг от друга. В результате пептидные группы ранее удаленных аминокислот белко-вой цепи оказываются рядом и способны взаимодействовать при помощи водородных связей.
Ориентация реагирующих участков может быть параллельна (когда соседние цепи идут в одном направлении) или антипараллельна (цепи идут в противоположном направлении).
Под направлением белковой цепи понимают направление от N-конца (N-концевой аминокислоты) к C-концу (С-концевой аминокислоте).
Таких взаимодействующих друг с другом участков одного белка может быть от двух до пяти.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 15
ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА
Третичная структура – это укладка полипептидной цепи в глобулу ("клубок"). Четкой границы между вторичной и третичной структурами провести нельзя, в основе третичной структуры лежат стерические взаимосвязи между аминокислотами, отстоящими далеко друг от друга в цепи. Благодаря третичной структуре происходит еще более компактное формиро-вание цепи.
Наряду с -спиралью и -структурой в третичной структуре обнаруживается так назы-ваемая неупорядоченная конформация, которая может занимать значительную часть моле-кулы. В разных белках наблюдается разное соотношение типов структур. Например, инсулин содержит 52% -спирали и 6% -структуры, трипсин – 14% -спирали и 45% -структуры.
Аминокислоты принимают участие в формировании третичной структуры, образуя связи между своими функциональными группами (радикалами):
o водородные – между ОН-, СООН-, NH2-группами радикалов аминокислот,
o дисульфидные – между остатками цистеина,
o гидрофобные – между остатками алифатических и ароматических аминокислот,
Аминокислоты и белки 16
o ионные – между СООН-группами глутамата и аспартата и NH2-группами лизина и арги-нина,
o псевдопептидные – между дополнительными СООН-группами глутамата и аспартата и дополнительными NH2-группами лизина и аргинина.
ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА
Если белки состоят из двух и более полипептидных цепей, связанных между собой не-ковалентными (не пептидными и не дисульфидными) связями, то говорят, что они обладают четвертичной структурой. Такие агрегаты стабилизируются водородными связями, ионными и электростатическими взаимодействиями между остатками аминокислот, находящихся на поверхности глобулы.
Подобные белки называются олигомерами, а их индивидуальные цепи – протомерами (мономерами, субъединицами). Если белки содержат 2 протомера, то они называются димерами, если 4, то тетрамерами и т.д. Например, гемоглобин – белок эритроцитов, пере-носящий кислород, состоит из 4 гемсодержащих субъ-единиц – 2 -субъединицы и 2 -субъединицы в гемо-глобине взрослых, 2 -субъединицы и 2 -субъеди-ницы в фетальном гемоглобине.
Лактатдегидрогеназа – фермент, принимающий активное участие в окислении глюкозы при мышечном сокращении, также включает 4 субъ-единицы – Н (heart) и М (muscle) в разных сочетаниях: Н4, Н3М1, Н2М2, Н1М3, М4. Всего 5 изоферментов.
Креатинкиназа – фермент, участвующий в регенерации АТФ при мышечном сокраще-нии, состоит из 2 субъединиц – В (brain) и М (muscle) в разных сочетаниях: ВВ, ВМ, ММ. Всего 3 изофермента.
Взаимодействие протомеров друг с другом осуществляется по принципу комплемен-тарности, т.е. их поверхность подходит друг другу по геометрической форме и по функцио-нальным группам аминокислот (возникновение ионных и водородных связей).
Так как субъединицы в олигомерах очень тесно взаимодействуют между собой, то любое изменение конформации какой-либо одной субъединицы обязательно влечет за собой измене-ние других субъединиц. Этот эффект называется кооперативное взаимодействие. Например, у гемоглобина такое взаимодействие субъединиц в легких ускоряет в 300 раз присоединение кислорода к гемоглобину. В тканях отдача кислорода также ускоряется в 300 раз.
Присоединение в легких первой молекулы кислорода к одной из субъединиц гемогло-бина изменяет ее конформацию. В результате она начинает влиять на следущую субъединицу, облегчая присоединение к ней кислорода. После этого они вдвоем влияют на третью субъеди-ницу и так далее. В тканях первая молекула кислорода отделяется от своей субъединицы не очень легко, вторая уже быстрее и так далее.
Дезоксиформа гемоглобина обозначается как Т-форма, напряженная (англ. tense), она обладает существенно более низким сродством к кислороду. Оксигенированная форма, или R-форма (англ. relaxed), обладает высоким сродством к кислороду.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 17
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ
К свойствам белков относят амфотерность, растворимость, способность к денатурации, коллоидные свойства.
АМФОТЕРНОСТЬ
Так как белки содержат кислые и основные аминокислоты, то в их составе всегда име-ются свободные кислые (СОО–) и основные (NH3+) группы.
Заряд белка зависит от соотношения количества кислых и основных аминокислот. По-этому, аналогично аминокислотам, белки заряжаются положительно при уменьшении рН, и отрицательно при его увеличении. Если рН раствора соответствует изоэлектрической точке белка, то заряд белка равен 0.
Если в пептиде или белке преобладают кислые аминокислоты (глутамат и аспартат), то при нейтральных рН заряд белка отрицательный и изоэлектрическая точка находится в кис-лой среде. Для большинства природных белков изоэлектрическая точка находится в диапазоне рН 4,8-5,4, что свидетельствует о преобладании в их составе глутаминовой и аспарагиновой аминокислот.
Если в белке преобладают основ-ные аминокислоты (лизин и аргинин) – при нейтральных рН заряд обусловлен этими, положительно заряженными, аминокислотами.
Амфотерность имеет значение для выполнения белками некоторых функций, например, их буферные свойства, т.е. способность поддержи-вать неизменным рН крови, основаны на способности присоединять ионы Н+ при закислении среды или отдавать их при защелачивании.
С практической стороны наличие амфотерности позволяет разделять белки по заряду (электрофорез) или ис-пользовать изменение величины рН раствора для осаждения какого-либо известного белка. Наличие как положи-тельных, так и отрицательных зарядов в белке обусловливает их способность к высаливанию (см "Обратимое оса-ждение" белков), что удобно для выде-ления белков в нативной конформации.
Влияние рН на заряд белка
При смещении рН в растворе из-меняется концентрация ионов Н+. При закислении среды (при снижении рН) ниже изоэлек-трической точки ионы Н+ при соединяются к отрицательно заряженным группам глутамино-вой и аспарагиновой кислот и нейтрализуют их. Заряд белка становится положительным.
При увеличении рН в растворе выше изоэлектрической точки концентрация ионов Н+ снижается и положительно заряженные группы белка (NH3+-группы лизина и аргинина) те-ряют протоны, их заряд исчезает. Суммарный заряд белка становится отрицательным.
Аминокислоты и белки 18
При физиологических рН буферная емкость белков плазмы крови весьма ограни-чена, т.к. диапазон смещения рН крови даже при патологии не захватывает изоэлек-трические значения рН для глутамата, аспартата, лизина, аргинина. Только гемо-глобин, который содержит до 8% гистидина (pI 7,6) обладает существенной буфер-ной емкостью.
РАСТВОРИМОСТЬ
Так как большинство белков несет много заря-женных групп, то в целом они водорастворимы. Рас-творимость объясняется:
o наличием заряда и взаимоотталкиванием заря-женных молекул белка,
o наличием гидратной оболочки – чем больше по-лярных и/или заряженных аминокислот в белке, тем больше гидратная оболочка (например, 100 г белка альбумина связывает 30-50 г воды).
МЕТОДЫ ОСАЖДЕНИЯ БЕЛКОВ
Так как растворимость белков зависит от заряда и наличия гидратной оболочки, то ис-чезновение одного или обоих этих факторов ведет к осаждению белка.
ДЕНАТУРАЦИЯ
Денатурация – необратимое осаждение белка из-за разрыва связей, стабилизирующих четвертичную, третичную, вторичную структуры белка, сопровождаемое изменением раство-римости, вязкости, химической активности, снижением или полной потерей биологической функции.
1. Физическая денатурация – повышение температуры, ультрафиолетовое и микроволновое излучение, механические воздействия, ионизация заряженными частицами.
2. Химическая:
o кислоты и щелочи образуют водородные связи с пептидными группами,
o органические растворители образуют водородные связи и вызывают дегидратацию,
o алкалоиды образуют связи с полярными группами и разрывают систему водородных и ионных связей
o тяжелые металлы взаимодействуют с заряженными радикалами, нейтрализуют отрица-тельные заряды и разрывают систему водородных и ионных связей.
ОБРАТИМОЕ ОСАЖДЕНИЕ
Обратимость осаждения белков обусловлена сохранением первичной структуры белка. Восстановление физико-химических и биологических свойств белка называется ренативация (ренатурация). Иногда для ренативации достаточно просто удалить денатурирующий объект.
Высаливание
Высаливание – это добавление растворов нейтральных солей (Na2SO4, (NH4)2SO4). Ани-оны (SO42–) и катионы (Na+, NH4+) взаимодействуют с зарядами белка (группы NH4+ и COO–). В результате заряд исчезает, и соответственно, исчезает взаимоотталкивание молекул. Од-новременно резко уменьшается гидратная оболочка. Это ведет к "слипанию" молекул и оса-ждению.
Так как белки плазмы крови отличаются по размерам, заряду, строению, то можно подо-брать такие количества соли, которые вызовут осаждение менее устойчивых белков, пока дру-гие еще будут растворены.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 19
Например, подобным образом раньше определяли соотношение альбумины/глобулины в плазме крови. Альбумины, как более полярные молекулы, остаются в растворенном состоя-нии при 50% насыщении раствора нейтральными солями, в то время как глобулины в этих условиях уже осаждаются. В норме соотношение альбумины/глобулины в плазме крови равно 1,2-1,8.
Осаждение водоотнимающими средствами
При добавлении водоотнимающих средств (ацетон, этанол) происходит отнятие у белка гидратной оболочки, но не заряда. Растворимость несколько снижается, но денатурации не наступает. Например, антисептическое действие этанола.
Изменение рН
Мягкое изменение рН до изоэлектрической точки белка ведет к исчезновению заряда, уменьшению гидратной оболочки и снижению растворимости молекулы.
СВОЙСТВА БЕЛКОВЫХ РАСТВОРОВ
Свойства белковых растворов определяются большими размерами молекул, т.е. белки являются коллоидными частицами и образуют коллоидные растворы. К свойствам коллоид-ных растворов относятся:
1. Рассеивание луча света, проходящего через белковый раствор, и образование светящегося конуса – эффект Тиндаля.
2. Малая скорость диффузии.
3. Неспособность белковых частиц проникать через полунепроницаемые мембраны (целло-фан), т.к. их поры меньше диаметра белков. Это используется в диализе – очистка белко-вых препаратов от посторонних примесей и лежит в основе работы "искусственной почки" для лечения острой почечной недостаточности.
4. Создание онкотического давления, то есть перемещение воды в сторону более высокой концентрации белка, что проявляется, например, как формирование отеков при повыше-нии проницаемости сосудистой стенки.
5. Высокая вязкость в результате сил сцепления между крупными молекулами, что проявля-ется, например, при образовании гелей и студней.
КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ
ПО ФУНКЦИИ
См выше "Функции белков"
ПО СТРОЕНИЮ
1. По форме молекулы
Глобулярные – соотношение продольной и поперечной осей составляет <10 и в боль-шинстве случаев не более 3-4. Они характеризуются компактной укладкой полипептидных цепей. Например, инсулин, альбумин, глобулины плазмы крови.
Фибриллярные – соотношение осей >10. Они состоят из пучков полипептидных цепей, спиралью навитых друг на друга и связанные между собой поперечными ковалентными и во-дородными связями. Выполняют защитную и структурную функции. Например, кератин, мио-зин, коллаген.
Аминокислоты и белки 20
2. По количеству белковых цепей в одной молекуле
o мономерные – имеют одну субъединицу (протомер), например, альбумин, миоглобин.
o полимерные – имеют несколько субъединиц. Например, гемоглобин (4 субъединицы), лактатдегидрогеназа (4 субъединицы), креатинкиназа (2 субъединицы),
3. По химическому составу
Простые – содержат в составе только аминокислоты (альбумины, глобулины, гистоны, протамины). Подробно эти белки характеризуются ниже.
Сложные – кроме аминокислот имеются небелковые компоненты (нуклеопротеины, фосфопротеины, металлопротеины, липопротеины, хромопротеины, гликопротеины). По-дробно эти белки характеризуются ниже.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОСТЫХ БЕЛКОВ
Структура простых белков представлена только полипептидной цепью (альбумин, инсу-лин). Однако необходимо понимать, что многие простые белки (например, альбумин) не су-ществуют в „чистом" виде, они всегда связаны с какими-либо небелковыми веществами. Их относят к простым белкам, т.к. связи с небелковой группой слабые.
АЛЬБУМИНЫ
Группа глобулярных белков плазмы крови с молекулярной массой 69 кДа, имеют кислые свойства и отрицательный заряд при физиологических рН, т.к. содержат много глутаминовой кислоты. Легко адсорбируют полярные и неполярные молекулы, являются в крови переносчи-ком многих веществ, в первую очередь билирубина и жирных кислот.
В природе альбумины входят в состав не только плазмы крови (сывороточные альбу-мины), но и яичного белка (овальбумин), молока (лактальбумин), являются запасными бел-ками семян высших растений.
ГЛОБУЛИНЫ
Группа разнообразных белков плазмы крови с молекулярной массой до 100 кДа, несут отрицательный заряд, слабокислые или нейтральные. Они мало гидратированы, по сравнению с альбуминами меньше устойчивы в растворе и легче осаждаются, что используется в клини-ческой диагностике в „осадочных" пробах (тимоловая проба, проба Вельтмана). Часто со-держат углеводные компоненты.
При обычном электрофорезе разделяются, как минимум, на 4 фракции – 1, 2, и .
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 21
Так как глобулины включают в себя разнообразные белки, то их функции многочис-ленны. Часть -глобулинов обладает антипротеазной активностью, что защищает белки крови от преждевременного разрушения, например, 1-антитрипсин, 1-антихимотрипсин, 2-макроглобулин. Некоторые глобулины способны к связыванию определенных веществ: трансферрин (переносчик ионов железа), церулоплазмин (переносчик ионов меди), гапто-глобин (переносчик гемоглобина), гемопексин (переносчик тема). -Глобулины являются ан-тителами и обеспечивают иммунную защиту организма.
ГИСТОНЫ
Гистоны – внутриядерные белки массой около 24 кДа. Обладают выраженными основ-ными свойствами, поэтому при физиологических значениях рН заряжены положительно и свя-зываются с дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК), образуя дезоксирибонуклеопротеины. Существуют 5 типов гистонов – очень богатый лизином (29%) гистон Н1, другие гистоны Н2а, H2b, НЗ, Н4 богаты лизином и аргинином (в сумме до 25%).
Радикалы аминокислот в составе гистонов могут быть метилированы, ацетилированы или фосфорилированы. Это изменяет суммарный заряд и другие свойства белков.
Можно выделить две функции гистонов:
1. Регулируют активность генома, а именно препятствуют транскрипции.
2. Структурная – стабилизируют пространственную структуру ДНК.
Аминокислоты и белки 22
Гистоны образуют нуклеосомы – октаэдрические структуры, составленные из гистонов Н2а, H2b, НЗ, Н4. Гистон H1 связан с молекулой ДНК, не позволяя ей "соскользнуть" с гисто-нового октамера. ДНК обвивает нуклеосому 2,5 раза после чего обвивает следующую нукле-осому. Благодаря такой структуре достигается уменьшение размеров ДНК в 7 раз. Далее нить ДНК с нуклеосомами складывается в суперспираль и "суперсуперспираль". Таким образом, гистоны участвуют в плотной упаковке ДНК при формировании хромосом.
Благодаря гистонам в конечном итоге размеры ДНК уменьшаются в тысячи раз: длина ДНК достигает 6-9 см (10–1), а размеры хромосом – всего несколько микро-метров (10–6).
ПРОТАМИНЫ
Это белки массой от 4 кДа до 12 кДа, имеются в ядрах сперматозоидов многих организ-мов, в сперме рыб они составляют основную массу белка. Протамины являются заменителями гистонов и служат для организации хроматина в спермиях. По сравнению с гистонами прота-мины отличаются резко увеличенным содержанием аргинина (до 80%). Также, в отличие от гистонов, протамины обладают только структурной функцией, регулирующей функции у них нет, хроматин в сперматозоидах неактивен.
КОЛЛАГЕН
Фибриллярный белок с уникальной структурой. Составляет основу межклеточного ве-щества соединительной ткани сухожилий, кости, хряща, кожи, но имеется, конечно, и в других тканях.
Полипептидная цепь коллагена включает 1000 аминокислот и носит название α-цепь. Насчитывается около 30 вариантов α-цепи коллагена, но все они обладают одним общим при-знаком – в большей или меньшей степени включают повторяющийся триплет [Гли-Х-Y], где X и Y – любые, кроме глицина, аминокислоты. В положении X чаще находится пролин или, гораздо реже, 3-оксипролин, в положении Y встречается пролин и 4-оксипролин. Также в по-ложении Y часто находится аланин, лизин и 5-оксилизин. На другие аминокислоты прихо-дится около трети от всего количества аминокислот. Гидроксилирование пролина и лизина осуществляют соответствующие гидроксилазы, железосодержащие ферменты, для их полно-ценной работы необходим витамин С (аскорбиновая кислота).
Структура пролина и оксипролина не позволяет образовать -спиральную структуру, из-за этого образуется левозакрученная спираль, где на один виток приходится 3 аминокислот-ных остатка. Коллаген обычно содержит моносахаридные (галактоза) и дисахаридные (глю-коза-галактоза) молекулы, соединенные с ОН-группами некоторых остатков оксилизина.
Молекула тропоколлагена построена из 3 -цепей, сплетенных между собой в плотный жгут – тропоколлаген (длина 300 нм, диаметр 1,6 нм). Полипептидные цепи прочно связаны между собой через -аминогруппы остатков лизина. Тропоколлаген формирует крупные кол-лагеновые фибриллы диаметром 10-300 нм. Поперечная исчерченность фибриллы обуслов-лена смещением молекул тропоколлагена друг относительно друга на 1/4 их длины.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 23
Время полужизни коллагена исчисляется неделями и месяцами. Ключевую роль в его обмене играет коллагеназа, расщепляющая тропоколлаген на 1/4 расстояния с С-конца между глицином и лейцином. В результате распада коллагена появляется свободный гидроксипро-лин. При поражении соединительной ткани (болезнь Пейджета, гиперпаратиреоидизм) экскре-ция гидроксипролина возрастает и имеет диагностическое значение.
По мере старения организма в тропоколлагене образуется все большее число поперечных связей, что делает фибриллы коллагена в соединительной ткани более жесткими и хрупкими. Это ведет к повышенной ломкости кости и снижению прозрачности роговицы глаза в старче-ском возрасте.
ЭЛАСТИН
По строению в общих чертах эластин схож с коллаге-ном. Находится в связках, эластичном слое сосудов. Струк-турной единицей является тропоэластин с молекулярной массой 72 кДа и длиной 800 аминокислотных остатков. В нем гораздо больше лизина, валина, аланина и меньше гид-роксипролина. Отсутствие пролина обусловливает наличие спиральных эластичных участков.
Характерной особенностью эластина является форми-рование из четырех молекул лизина своеобразной струк-туры – десмозина, который своими 4-мя группами объеди-няет белковые цепи в системы, способные растягиваться во всех направлениях.
Аминокислоты и белки 24
-Аминогруппы и -карбоксильные группы десмозина включаются в пептидные связи одной или нескольких белковых цепей.
СТРОЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ СЛОЖНЫХ БЕЛКОВ
У сложных белков, кроме белковой цепи, имеется дополнительная небелковая группа. Она называется лиганд, (лат. ligo – связываю) то есть молекула, связанная с белком. В случае если лиганд несет структурную и/или функциональную нагрузку, он называется простетиче-ской группой.
В роли лиганда могут выступать любые молекулы:
o молекулы, выполняющие в белке структурную функцию – липиды, углеводы, нуклеино-вые кислоты, минеральные элементы, какие-либо другие органические соединения: гем в гемоглобине, углеводы в гликопротеинах, ДНК и РНК в нуклеопротеинах, медь в це-рулоплазмине,
o переносимые белками молекулы: железо в трансферрине, гемоглобин в гаптоглобине, гем в гемопексине,
o субстраты для ферментов – любые молекулы и даже другие белки.
Узнавание лиганда обеспечивается:
o комплементарностью структуры центра связывания белка структуре лиганда, иначе го-воря, пространственным и химическим соответствием белка и лиганда. Они подходят друг к другу как ключ к замку, например, соответствие фермента и субстрата,
o иногда узнавание может зависеть от реакционной способности атома, к которому присо-единяется лиганд. Например, связывание кислорода железом гемоглобина, или жирной кислоты с альбумином.
Функции лиганда в составе сложного белка разнообразны:
o изменяет свойства белков (заряд, растворимость, термолабильность), например, фосфор-ная кислота в фосфопротеинах или остатки моносахаридов в гликопротеинах,
o защищает белок от протеолиза вне и внутри клетки, например, углеводная часть в глико-протеинах,
o обеспечивает возможность транспорта нерастворимых в воде соединений, например, пе-ренос жиров липопротеинами,
o придает биологическую активность и определяет функцию белка, например, нуклеиновая кислота в нуклеопротеинах, гем в гемоглобине, углевод в рецепторных белках,
o влияет на проникновение через мембраны, внутриклеточную миграцию, сортировку и секрецию белков, это выполняет, как правило, углеводный остаток.
ФОСФОПРОТЕИНЫ
Фосфопротеины – это белки, в которых присутствует фосфатная группа, она связывается с пептидной цепью через остатки тирозина, серина, треонина (т.е. тех аминокислот, которые содержат ОН-группу).
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 25
Фосфорная кислота может выполнять:
1. Структурную роль, придавая заряд, растворимость и изменяя свойства белка, например, в казеине молока, яичном альбумине.
2. Функциональную роль. В клетке присутствует много белков, которые связаны с фосфатом не постоянно, а в зависимости от активности метаболизма. Белок может многократно пе-реходить в фосфорилированную или в дефосфорилированную форму, что играет регули-рующую роль в его работе. Например, 1) ферменты гликогенсинтаза и гликогенфосфо-рилаза (см "Регуляция активности ферментов"), 2) гистоны в фосфорилированном состо-янии менее прочно связываются с ДНК и активность генома возрастает.
НУКЛЕОПРОТЕИНЫ
Нуклеопротеины – это белки, связанные с нуклеиновыми кислотами. Они составляют существенную часть рибосом, хроматина, вирусов.
В рибосомах рибонуклеиновая кислота (РНК) связывается со специфическими рибосо-мальными белками.
Вирусы являются практически чистыми рибо- и дезоксирибонуклеопротеинами.
В хроматине нуклеиновая кислота представлена дезоксирибонуклеиновой кислотой, связанной с разнообразными белками, среди которых можно выделить две основные группы – гистоны и негистоновые белки. Начальный этап упаковки ДНК осуществляют гистоны, бо-лее высокие уровни обеспечиваются другими белками.
В начале молекула ДНК обвивается вокруг гистонов, образуя нуклеосомы. Сформиро-ванная таким образом нуклеосомная нить напоминает бусы, которые складываются в супер-спираль (хроматиновая фибрилла) и суперсуперспираль (хромонемма интерфазы).
Аминокислоты и белки 26
Нуклеиновые кислоты являются полимерными молекулами и состоят из мономеров, называемых нуклеотидами. Нуклеотид содержит фосфорную кислоту (один, два или три остатка), сахар (рибозу или дезоксирибозу), азотистое основание (аденин, гуанин, цитозин, урацил либо тимин).
Самым распространенным в природе является нуклеотид аденозинтрифосфат, исполь-зуемый как высокоэнергетическое соединение для реакций трансмембранного переноса ве-ществ и реакций синтеза.
Связываясь через фосфатные остатки, нуклеотиды образуют длинные цепочки – нуклеиновые кислоты.
Выделяют два вида нуклеиновых кислот в зависи-мости от пентозы, входящей в их состав – рибонуклеи-новая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Сахарофосфатный остов в ДНК и РНК заряжен отрицательно благодаря заряду фосфатных групп. В то же время пуриновые и пиримидиновые основания гид-рофобны.
Цепи ДНК и РНК обладают направленностью, т.е. имеют 3'-конец и 5'-конец. В ДНК цепи антипарал-лельны, т.е. направлены в разные стороны. Имеется ком-плементарность азотистых оснований, соответствие аденин комплементарен тимину (А=Т), гуанин комплементарен цитозину (Г≡Ц).
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 27
ЛИПОПРОТЕИНЫ
К липопротеинам, строго говоря, принадлежат только белки, содержащие ковалентно связанные липиды. Однако традиционно к липопротеинам относят и надмолекулярные обра-зования, выполняющие транспортную функцию и состоящие из белков и молекул всех классов липидов – транспортные липопротеины.
Структуру транспортных липопро-теинов можно сравнить с орехом, у кото-рых имеется скорлупа и ядро. "Скор-лупа" липопротеина является гидрофиль-ной, ядро – гидрофобное. Ядро форми-руют неполярные эфиры холестерола и триацилглицеролы. В поверхностном сл ое ("скорлупе") находятся фосфоли-пиды, свободный холестерол, белки.
Белки в липопротеинах называются апобелками, их выделяют несколько ви-дов: А, В, С и D. В каждом типе липопро-теинов преобладают соответствующие ему апобелки.
Выделяют четыре основных класса липопротеинов:
o хиломикроны (ХМ),
o липопротеины высокой плотности (ЛПВП, -липопротеины, -ЛП),
o липопротеины низкой плотности (ЛПНП, -липопротеины, -ЛП),
Аминокислоты и белки 28
o липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП, пре--липопротеины, пре--ЛП).
Липопротеины различаются по составу, т.е. по соотношению триацилглицеролов, холе-стерола и его эфиров, фосфолипидов, белков:
Типы липопротеинов
По направлению сверху вниз происходит изменение состава:
Хиломикроны (до 90% липидов)
ЛПОНП
ЛПНП
ЛПВП (до 80% белков)
Увеличение количества белка
Увеличение количества фосфолипидов
Уменьшение количества триацилглице-ролов
ХРОМОПРОТЕИНЫ
Хромопротеины содержат окрашенные простетические группы. Сюда относят гемопро-теины (содержат гем), ретинальпротеины (содержат витамин А), флавопротеины (содержат витамин В2), кобамидпротеины (содержат витамин В12).
Гемопротеины
Подразделяются на неферментативные (гемоглобин, миоглобин) и ферменты (цитохромы, каталаза, перокси-даза). Небелковой частью их является гем – структура, включающая в себя порфириновое кольцо (состоящее из 4 пиррольных колец) и иона Fe2+. Железо связывается с пор-фириновым кольцом двумя координационными и двумя ковалентными связями.
Цитохромы
Цитохромы отличаются аминокислотным составом пептидных цепей и числом цепей и разделяются на типы а, b, с, d. Все они неспособны связывать кислород, кроме цитохрома а3, который содержит ионы меди. Цитохромы находятся в составе дыхательной цепи митохондрий и цепи микросомального окисления.
Флавопротеины
Флавопротеины являются фермен-тами окислительно-восстановительных реакций, например, сукцинатдегидроге-наза, глицерол-3-фосфатдегидрогеназа. Они в качестве небелковой части содер-жат производные витамина В2 – флавин-мононуклеотид (ФМН) и флавинаденин-динуклеотид (ФАД). Флавинаденинди-нуклеотид представляет комплекс из двух нуклеотидов – аденозинмонофосфата и флавинмононуклеотида.
МЕТАЛЛОПРОТЕИНЫ
Металлопротеины, кроме белка, содержат ионы одного или нескольких металлов. Ме-таллопротеины часто являются ферментами. Ионы металлов соединены координационными связями с функциональными группами белка и выполняют следующие функции:
o участвуют в ориентации субстрата в активном центре фермента,
o входят в состав активного центра фермента и участвуют в катализе, например, служат акцепторами электронов на определенной стадии ферментативной реакции.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 29
К металлопротеинам, например, относятся белки, содержащие:
o медь – цитохромоксидаза, в комплексе с другими ферментами дыхательной цепи мито-хондрий участвует в синтезе АТФ,
o железо – ферритин, депонирующий железо в клетке, трансферрин, переносящий железо в крови, сукцинатдегидрогеназа (фермент цикла трикарбоновых кислот),
o цинк – алкогольдегидрогеназа, обеспечивающая метаболизм этанола и других спиртов, лактатдегидрогеназа, участвующая в метаболизме молочной кислоты, карбоангид-раза, образующая угольную кислоту из CO2 и H2O, щелочная фосфатаза, гидролизую-щая фосфорные эфиры различных соединений.
o селен – тиреопероксидаза, участвующая в синтезе гормонов щитовидной железы, анти-оксидантный фермент глутатионпероксидаза,
o кальций – -амилаза слюны и панкреатического сока, гидролизующая крахмал.
ГЛИКОПРОТЕИНЫ (ГЛИКОКОНЪЮГАТЫ)
Гликопротеины – белки, содержащие углеводный компонент, ковалентно присоединен-ный к полипептидной основе. Содержание углеводов варьирует от 1 до 85% по массе.
Выделяют два подкласса белков, содержащих углеводы: протеогликаны и гликопро-теины. Между этими подклассами имеются существенные отличия:
Гликопротеины
o доля углеводов 15-20%,
o не содержат уроновых кислот,
o углеводные цепи содержат не более 15 звеньев,
o углевод имеет нерегулярное строение.
Протеогликаны
o доля углеводов 80-85%,
o имеются уроновые кислоты,
o углеводные цепи крайне велики,
o углевод имеет регулярное строение.
Гликопротеины
Для собственно гликопротеинов характерно низкое содержание углеводов. Углеводный остаток является олигосахаридм, имеет нерегулярное строение и содержит маннозу, галак-тозу, глюкозу, и их аминопроизводные, также N-ацетилнейраминовую кислоту.
Олигосахарид присоединен к аминокислотам белковой цепи либо N-гликозидной связью – к амидному азоту аспарагина, либо О-гликозидной связью – к гидроксигруппе остатков се-рина, треонина, гидроксили-зина.
Функцией гликопротеи-нов являются:
1. Структурная – клеточная стенка бактерий, костный матрикс, например, колла-ген, эластин.
2. Защитная – например, антитела, интерферон, факторы свертывания крови (протромбин, фибриноген).
3. Транспортная – перенос веществ в крови и через мембраны, например, трансферрин, транскортин, альбумин, Na+,К+-АТФаза.
4. Гормональная – гонадотропный, адренокортикотропный и тиреотропный гормоны.
5. Ферментативная – холинэстераза, нуклеаза.
6. Рецепторная – присоединение эффектора приводит к изменению конформации белка-ре-цептора, что вызывает внутриклеточный ответ.
Аминокислоты и белки 30
Протеогликаны
Другая группа гликопротеинов – протеогликаны – характеризуется наличием полиса-харидов, состоящих из повторяющихся дисахаридных остатков.
Дисахариды включают в себя уроновую кислоту и аминосахар. Многократно дублиру-ясь, дисахариды образуют олиго- и полисахаридные цепи – гликаны. В литературе встреча-ются другие названия – кислые гетерополисахариды (т.к. имеют много кислотных групп), гликозаминогликаны (содержат аминогруппы). Эти молекулы входят в состав протеоглика-нов – сложных белков, функцией которых является заполнение межклеточного пространства и удержание здесь воды, также они выступают как смазочный и структурный компонент су-ставов и других тканевых структур.
Углеводная часть, аналогично с гликопротеинами, связывается с белком через остатки серина и аспарагина.
Основными представителями структурных гликозаминогликанов является гиалуроно-вая кислота, хондроитинсульфаты, кератансульфаты и дерматансульфаты. Гепарин использу-ется в антикоагулянтной системе крови.
По функции протеогликаны осо-бенно значимы для межклеточного про-странства, особенно соединительной ткани, в которое погружены коллагеновые волокна. При помощи электронной микро-скопии выяснено, что они имеют древовид-ную структуру – в центре находится гиалу-роновая кислота, которая через связующие белки присоединяет многочисленные "ве-точки" из хондроитинсульфатов, кератан-сульфатов, дерматансульфатов. Молекулы гликанов весьма гидрофильны, создают сетчатый желеподобный матрикс и запол-няют пространство между клетками, явля-ясь преградой для крупных молекул и мик-роорганизмов.
ВИТАМИНЫ
Понятием витамины в настоящее время объединяется группа низкомолекулярных ве-ществ разнообразной природы, которые необходимы для биохимических реакций, обеспечи-вающих рост, выживание и размножение организма. Витамины обычно выступают в роли ко-ферментов – таких молекул, которые непосредственно участвуют в работе ферментов. Вита-мины иногда называют "пламень жизни", так как жизнь без витаминов невозможна.
Различают следующие группы витаминов:
1. Жирорастворимые А, D, E, K, F.
2. Водорастворимые B1, B2, B3, B5, B6, B9= Вс, B12, H, C.
3. Также выделяют витаминоподобные вещества:
o жирорастворимые – Q (убихинон),
o водорастворимые – B4 (холин), P (биофлавоноиды), B8 (инозит), B10 (параамино-бен-зойная кислота), B11 (BT, карнитин), U (S-метилметионин), N (липоевая кислота), B13 (оротовая кислота), B14 (метоксантин, пиррол-хинолин-хинон), B15 (пангамовая кис-лота).
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Независимо от своих свойств витамины характеризуются следующими общебиологиче-скими свойствами:
1. В организме витамины не образуются, их биосинтез осуществляется вне организма человека, т.е. витамины должны поступать с пищей. Тех витаминов, которые синтезируются кишечной микрофлорой обычно недостаточно для покрытия потребностей организма (строго говоря, это тоже внешняя среда). Исключением является витамин РР, который может синте-зироваться из триптофана и витамин D (холекальциферол), синтезируемый из холестерола.
2. Витамины не являются пластическим материалом. Исключение – витамин F.
3. Витамины не служат источником энергии. Исключение – витамин F.
4. Витамины необходимы для всех жизненных процессов и биологически активны уже в малых количествах.
5. При поступлении в организм они оказывают влияние на биохимические процессы, протекающие в любых тканях и органах, т.е. они неспецифичны по органам.
6. В повышенных дозах могут использоваться в лечебных целях в качестве неспецифи-ческих средств: при сахарном диабете – B1, B2, B6, при простудных и инфекционных заболе-ваниях – витамин С, при бронхиальной астме – витамин РР, при язвах ЖКТ – витаминоподоб-ное вещество U.
Жирорастворимые витамины при увеличении дозы накапливаются и могут вызывать ги-первитаминозы с рядом общих симптомов (потеря аппетита, расстройство ЖКТ, сильные го-ловные боли, повышенная возбудимость нервной системы, выпадение волос, шелушение кожи) и со специфическими признаками. Яркая картина гипервитаминозов отмечается только для витаминов А и D.
Нехватка витаминов ведет к развитию патологических процессов в виде специфических гиповитаминозов или авитаминозов. Широко распространенные скрытые формы витамин-ной недостаточности не имеют каких-либо внешних проявлений и симптомов, но оказывают отрицательное влияние на работоспособность, общий тонус организма и его устойчивость к разным неблагоприятным факторам.
Витамины 32
Причины нехватки витаминов могут быть:
а. Экзогенные:
o нерациональное питание, т.е. недостаточное потребление с пищей,
o гельминтозы, лямблиозы, дизентерия,
o дисбактериоз кишечника.
б. Эндогенные:
o нарушение всасывания (энтероколиты, гастроэнтериты различного происхождения). Например, пернициозная анемия Аддисон-Бирнера,
o заболевания печени и желчного пузыря (для жирорастворимых витаминов),
o повышенная потребность (беременность, лактация, физические нагрузки),
o генетические дефекты кофермент-образующих ферментов.
ВИТАМЕРЫ
Иногда витамин представлен различными химическими формами – витамерами (вита-мин + греч. meros – часть), т.е. соединениями с витаминной функцией, сходными по структуре. Например, витамин E представлен группой витамеров – α, β- и γ-токоферолами, витамин К – менахинонами и филлохинонами, витамин D может быть в виде эргокальциферола и холекаль-циферола, витамин F включает схожие полиненасыщенные жирные кислоты.
ПРОВИТАМИНЫ
Некоторые витамины поступают в организм в виде провитаминов. В организме прови-тамины превращаются в активные формы, например:
o каротиноиды, в частности β-каротин, превращаются в витамин А,
o пищевой эргостерол или 7-дегидрохолестерол под действием ультрафиолетовых лучей превращаются соответственно в эргокальциферол (витамин D2) и холекальциферол (ви-тамин D3).
АНТИВИТАМИНЫ
Вещества, которые каким-либо образом препятствуют действию витамина, получили название антивитамины. Выделяют две группы антивитаминов:
o вещества, которые могут инактивировать витамин путем его расщепления, разрушения, связывания его молекул в неактивные формы или препятствуют синтезу соответствую-щего кофермента.
o вещества, похожие по структуре на тот или иной витамин. Эти вещества конкурентно вытесняют витамины из ферментов, препятствуют образованию их коферментных форм или участию в реакциях.
Примером антивитаминов являются:
o дикумарол (антивитамин К) – препятствует образованию активной формы витамина К, что блокирует синтез факторов свертывания крови,
o изониазид (антивитамин РР) – образует "неправильные" коферменты, аналогичные НАД и НАДФ, что блокирует протекание окислительно-восстановительных реакций,
o антибактериальные препараты группы сульфаниламидов (антифолаты) – вытесняют ви-тамин В9 из реакций синтеза фолиевой кислоты. Этим они снижают образование фолие-вой кислоты в бактериях и препятствуют синтезу пуриновых и пиримидиновых основа-ний и, как следствие, нуклеиновых кислот,
o авидин (антивитамин Н) – связывается с витамином в кишечнике и не допускает его вса-сывания в кровь.
o фермент тиаминаза – разрушает витамин В1 (тиамин).
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 33
ЖИРОРАСТВОРИМЫЕ ВИТАМИНЫ
ВИТАМИН А (РЕТИНОЛ, АНТИКСЕРОФТАЛЬМИЧЕСКИЙ)
Источники
С пищевыми продуктами в организм поступает как витамин А, так и каротины – веще-ства, схожие с ним по строению.
o витамин А содержат рыбий жир, печень морских рыб, печень крупного рогатого скота и свиньи, жирномолочные продукты (сливочное масло, сливки, сметана), желток яиц,
o каротиноиды имеются в моркови, красном перце, томатах (красные овощи), в пальмовом масле, облепиховом масле.
Суточная потребность
1,0-2.5 мг или 5000 ЕД.
Метаболизм
Всасывается только 1/6 часть потребленных каротиноидов. После всасывания некоторые каротиноиды в печени и кишечнике превращаются в ретинол, при этом из -каротина образу-ется 2 молекулы витамина А.
Строение
Ретиноиды представляют собой β-иононовое кольцо с метильными заместителями и изо-преновой цепью. В организме спиртовая группа ретинола окисляется в свои активные формы: альдегидную (ретиналь) или карбоксильную (ретиноевая кислота) группы.
Биохимические функции
1. Регуляция экспрессии генов.
Ретиноевая кислота служит лигандом для суперсемейства ядерных рецепторов, к числу которых относятся рецепторы к стероидным гормонам (кортизол, тестостерон), к витамину D, трийодтиронину, простагландинам, к транскрипционным факторам. Таким образом, эта кис-лота необходима для экспрессии генов, участвующих в реакции клетки на гормон и ростовые стимулы. В результате ретиноевая кислота:
o регулирует нормальный рост и дифференцировку клеток эмбриона и молодого орга-низма,
o стимулирует деление и дифференцировку быстро делящихся тканей – хряща, костной ткани, сперматогенного эпителия, плаценты, эпителия кожи, слизистых оболочек, клеток иммунной системы.
Витамины 34
2. Участие в фотохимическом акте зрения.
Ретиналь в комплексе с белком опсином формирует зрительный пигмент родопсин, ко-торый находится в клетках сетчатки глаза, отвечающих за черно-белое сумеречное зрение ("палочки"). Максимум спектра поглощения родопсина находится в области 500 нм.
При попадании кванта света на молекулу родопсина последний распадается на опсин и алло-транс-ретиналь. При этом в мембране генерируется электрический сигнал, идущий в зри-тельный центр головного мозга. В дальнейшем под влиянием ферментов алло-транс-ретиналь превращается в 11-цис-ретиналь и связывается с опсином, снова образуя родопсин.
3. Антиоксидантная функция.
Благодаря наличию двойных связей в изопреновой цепи витамин осуществляет нейтра-лизацию свободных кислородных радикалов, особенно эта функция проявляется у каротино-идов.
Гиповитаминоз
Причина. Помимо пищевой недостаточности, причиной гиповитаминоза А может быть 1) нехватка витаминов Е и С, защищающих ретинол от окисления, 2) снижение функции щи-товидной железы (гипотиреоз), т.к. в кишечнике и печени превращение каротиноидов в вита-мин А катализируют железо-содержащие ферменты (например, -каротин-диоксигеназа), ак-тивируемые тиреоидными гормонами.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 35
Клиническая картина.
1. Стерильность – желтое тело беременности накапливает каротиноиды β-каротин и лютеин. Вероятно, они несут антиоксидантную нагрузку, обеспечивая жизнеспособность и нор-мальное функционирование желтого тела.
2. При сильном гиповитаминозе и авитаминозе происходит нарушение темновой адаптации – куриная слепота;
3. Задержка роста, похудание, истощение;
4. Специфические поражения глаз, слизистых оболочек, кожи:
o кожа – гиперкератоз (пролиферация и патологическое ороговение кожи, сухость и ше-лушение – т.н. "жабья кожа") приводит к вторичным гнойным процессам,
o глаза – ороговение эпителия слезного канала (ксерофтальмия) приводит к его заку-порке. Это порождает, во-первых, сухость роговой оболочки глаза, т.к. нет слезы, во-вто-рых, влечет за собой воспаление роговой оболочки из-за отсутствия лизоцима (антибак-териального фермента слезы). Оба фактора приводят к кератомаляции – отек, изъязвле-ние, размягчение роговой оболочки,
o слизистые оболочки – из-за снижения синтеза гликопротеинов и нарушения барьерной функции слизистых оболочек происходит поражение эпителия желудочно-кишечного тракта, дыхательных путей и мочеполовой системы (также нарушение сперматогенеза).
Поражение эпителия дыхательных путей приводит к снижению местного иммуни-тета, вплоть до ларинготрахеобронхита и пневмонии.
Показано, что коррекция содержания витамина А в диете детей тропических стран снижала смертность от инфекций на 30% (!!!).
Гипервитаминоз
Причина. Избыточный прием витамина А с витаминными препаратами и, реже, с пи-щей.
Клиническая картина.
Острое отравление сопровождается головной болью, тошнотой, слабостью, ступором, отеком соска зрительного нерва (вследствие ликворной гипертензии), может повышаться тем-пература.
При хроническом отравлении нарушается пищеварение, исчезает аппетит, наступает по-теря веса тела, снижается активность сальных желез кожи и развивается сухой дерматит, лом-кость костей.
У витамина А в высоких дозах имеется нефротоксичность, канцерогенность и эмбрио-токсичность.
Лекарственные формы
Ретинолацетат, ретинолпальмитат (функциональная ОН-группа защищена жирными кислотами).
ВИТАМИН D (КАЛЬЦИФЕРОЛ, АНТИРАХИТИЧЕСКИЙ)
Источники
o печень, дрожжи, жирномолочные продукты (сливочное масло, сливки, сметана), желток яиц,
o рыбий жир, печень трески,
o образуется в коже при ультрафиолетовом облучении (длина волны 290-315 нм) из 7-де-гидрохолестерола.
Суточная потребность
Физиологическая потребность для детей – 10-20 мкг, для взрослых – 10 мкг, для лиц старше 60 лет – 15 мкг.
.
Витамины 36
Строение
Витамин представлен двумя формами – эргокальциферол и холекальциферол. Химиче-ски эргокальциферол отличается от холекальциферола наличием в молекуле двойной связи между С22 и С23 и метильной группой при С24.
После всасывания в кишечнике или после синтеза в коже витамин попадает в печень. Здесь он гидроксилируется по С25 и кальциферол-транспортным белком переносится к поч-кам, где еще раз гидроксилируется, уже по С1. В результате образуется 1,25-дигидроксихоле-кальциферол – кальцитриол.
Реакция гидроксилирования в почках стимулируется паратгормоном, пролактином, соматотропным гормоном и подавляется высокими концентрациями фосфатов и кальция.
Биохимические функции
1. Увеличение концентрации кальция и фосфатов в плазме крови.
Для этого кальцитриол:
o увеличивает синтез кальций-транспортного белка в кишечнике и, соответственно, вса-сывание ионов Ca2+ (главная функция),
o стимулирует (совместно с паратгормоном) реабсорбцию ионов Ca2+ и фосфат-ионов в проксимальных почечных канальцах.
В тонком кишечнике и почках эффекты опосредуются индукцией синтеза кальций-связывающего белка и компонентов Са2+-АТФазы.
2. Подавляет секрецию паратиреоидного гормона через повышение концентрации кальция в крови, но усиливает его эффект на реабсорбцию кальция в почках.
3. В костной ткани роль витамина D двояка:
o стимулирует мобилизацию ионов Ca2+ из костной ткани, так как способствует диффе-ренцировке моноцитов и макрофагов в остеокласты и снижению синтеза коллагена I типа остеобластами,
o повышает минерализацию костного матрикса, так как увеличивает производство лимон-ной кислоты, образующей здесь нерастворимые соли с кальцием.
4. Кроме указанного, витамин D участвует в пролиферации и дифференцировке клеток всех органов и тканей, в том числе клеток крови и иммунокомпетентных клеток. Витамин D регулирует иммуногенез и реакции иммунитета, стимулирует выработку эндогенных ан-тимикробных пептидов в эпителии и фагоцитах, лимитирует воспалительные процессы пу-тем регуляции выработки цитокинов.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 37
Гиповитаминоз
Приобретенный гиповитаминоз
Причина. Часто встречается при пищевой недостаточности у детей, при недостаточной инсоляции у людей, не выходящих на улицу или при национальных особенностях одежды. Также причиной гиповитаминоза может быть снижение гидроксилирования кальциферола (за-болевания печени и почек) и нарушение переваривания липидов (целиакия, холестаз).
Клиническая картина. У детей 2-24 месяцев проявляется в виде рахита, при котором, несмотря на поступление с пищей, кальций не усваивается в кишечнике, а в почках теряется. Это ведет к снижению концентрации кальция в плазме крови, нарушению минерализации костной ткани и, как следствие, к остеомаляции (размягчение кости). Остеомаляция проявля-ется деформацией костей черепа (бугристость головы), грудной клетки (куриная грудь), ис-кривление голени, рахитические четки на ребрах, увеличение живота из-за гипотонии мышц, замедляется прорезывание зубов и зарастание родничков.
У взрослых тоже наблюдается остеомаляция, т.е. остеоид продолжает синтезироваться, но не минерализуется. Разви тие остеопороза частично также связывают с витамин D-недо-статочностью.
В настоящее время с недостаточностью витамина D связывают повышенный риск развития остеопороза, вирусных инфекций (грипп), артериальной гипертонии, ате-росклероза, аутоиммунных заболеваний, сахарного диабета, рассеяного склероза, шизофрении, опухолей молочной и предстательной желез, рака 12-перстной и тол-стой кишки.
Наследственный гиповитаминоз
Витамин D-зависимый наследственный рахит I типа, при котором имеется рецессив-ный дефект почечной α1-гидроксилазы. Проявляется задержкой развития, рахитическими особенностями скелета и т.д. Лечение – препараты кальцитриола или большие дозы витамина D.
Витамин D-зависимый наследственный рахит II типа, при котором наблюдается де-фект тканевых рецепторов кальцитриола. Клинически заболевание схоже с I типом, но допол-нительно отмечаются аллопеция, milia, эпидермальные кисты, мышечная слабость. Лечение варьирует в зависимости от тяжести заболевания, помогают большие дозы кальциферола.
Гипервитаминоз
Причина. Избыточное потребление с препаратами (1,5 млн МЕ в сутки).
Клиническая картина. Ранними признаками передозировки витамина D являются тош-нота, головная боль, потеря аппетита и веса тела, полиурия, жажда и полидипсия. Могут быть запоры, гипертензия, мышечная ригидность.
Витамины 38
Хронический избыток витамина D приводит к гипервитаминозу, при котором отмеча-ется:
o деминерализация костей, приводящая к их хрупкости и переломам.
o увеличение концентрации ионов кальция и фосфата в крови, приводящее к кальцифика-ции сосудов, ткани легких и почек.
Лекарственные формы
Витамин D – рыбий жир, эргокальциферол, холекальциферол.
1,25-Диоксикальциферол (активная форма) – остеотриол, рокальтрол, форкал плюс.
ВИТАМИН К (НАФТОХИНОНЫ, АНТИГЕМОРРАГИЧЕСКИЙ)
Источники
Хорошими источниками витамина К являются капуста, крапива, рябина, шпинат, тыква, арахисовое масло, печень (филлохинон). Также витамин образуется микрофлорой в тонком кишечнике (менахинон).
Запасы витамина в печени составляют около 30 суточных доз.
Суточная потребность
Около 2 мг.
Строение
Выделяют три формы витамина: витамин К1 (филлохинон), витамин К2 (менахинон), ви-тамин К3 (менадион). После всасывания менадион превращается в активную форму – менахи-нон.
Витамины содержат функциональное нафтохиноновое кольцо и алифатическую изопре-ноидную боковую цепь.
Биохимические функции
К настоящему времени у человека обнаружено 14 витамин К-зависимых белков, играю-щих ключевые роли в регулировании физиологических процессов. Витамин является кофер-ментом микросомальных ферментов, осуществляющих -карбоксилирование (греч. – "гамма") глутаминовой кислоты в составе белковой цепи.
Благодаря своей функции витамин обеспечивает посттрансляционную модификацию ("созревание") ряда белков:
1. Факторов свертывания крови. В печени происходит γ-карбоксилирование предшествен-ников белковых факторов свертывания: протромбина (ф.II), проконвертина (ф.VII), Крист-маса (ф.IX), Стюарта (ф.X).
2. Белков костной ткани, например, остеокальцина.
3. Протеина C и протеина S, участвующих в антисвертывающей системе крови.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 39
Гиповитаминоз
Причина. Возникает при подавлении микрофлоры лекарствами, особенно антибиоти-ками, при заболеваниях печени и желчного пузыря. У взрослых здоровая кишечная микро-флора полностью удовлетворяет потребность организма в витамине.
Клиническая картина. Наблюдается кровоточивость, снижение свертываемости крови, легкое возникновение подкожных гематом, у женщин отмечаются обильные mensis.
Профилактическое назначение препаратов витамина К сразу после рождения при-вело в развитых странах к исчезновению геморрагической болезни новорожден-ных.
Лекарственные формы
Викасол, менадион, настои крапивы.
Антивитамины
Вещества варфарин и дикумарол свя-зываются с ферментом редуктазой и блоки-руют восстановление неактивной формы витамина К в активную (см схему в "Биохи-мические функции" витамина К).
ВИТАМИН Е (ТОКОФЕРОЛ, АНТИСТЕРИЛЬНЫЙ)
Источники
Растительные масла (кроме оливкового), пророщенное зерно пшеницы, бобовые, яйца.
Суточная потребность
20-50 мг.
Строение
Молекула токоферола состоит из кольца произ-водного бензохинона и изопреноидной боковой цепи. Другие формы витамина E включают иные производ-ные токола, характеризующиеся биологической ак-тивностью.
Витамины 40
Биохимические функции
Витамин, встраиваясь в фосфолипидный бислой мембран, выполняет антиоксидантную функцию, т.е. препятствует развитию свободнорадикальных реакций. (см лекция "Свободно-радикальное окисление"). При этом:
1. Лимитирует свободнорадикальные реакции в быстроделящихся клетках – слизистые обо-лочки, эпителий, клетки эмбриона. Этот эффект лежит в основе положительного действия витамина в репродуктивной функции у самцов (защита сперматогенного эпителия) и у са-мок (защита плода) (греч. tokos – потомство, phero – несу).
2. Защищает витамин А от окисления, что способствует проявлению ростстимулирующей ак-тивности витамина А.
3. Защищает жирнокислотные остатки мембранных фосфолипидов, и, следовательно, любые клеточные мембраны от перекисного окисления липидов.
Гиповитаминоз
Причина. Кроме пищевой недостаточности и нарушения всасывания жиров, причиной гиповитаминоза Е может быть недостаток аскорбиновой кислоты, имеющей также антиокси-дантную функцию.
Клиническая картина. Пониженная устойчивость и гемолиз эритроцитов in vivo, ане-мия, увеличение проницаемости мембран, мышечная дистрофия, слабость. Также отмечены арефлексия, снижение проприоцептивной и вибрационной чувствительности, парез взора вследствие поражения задних канатиков спинного мозга и миелиновой оболочки нервов.
В эксперименте у животных при авитаминозе развивается атрофия семенников, рассасы-вание плода, размягчение мозга, некроз печени, жировая инфильтрация печени.
Лекарственные формы
-Токоферола ацетат.
ВИТАМИН F (ОМЕГА-6 ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ)
Источники
Растительные масла (кроме паль-мового и оливкового).
Суточная потребность
5-10 г.
Строение
Витамин F представляет собой группу незаменимых полиненасыщен-ных жирных кислот:
o линолевая С18:2, 9,12,
o линоленовая С18:3, 6,9,12,
o арахидоновая С20:4, 5,8,11,14.
Биохимические функции
Полиненасыщенные жирные кис-лоты обладают весьма широкими функциями:
1. Составная часть фосфолипидов мембран.
2. Предшественник регуляторных соединений, носящих название эйкозаноиды – простаглан-динов (в том числе простациклинов), тромбоксанов, лейкотриенов. Эйкозаноиды являются "местными гормонами", т.е. после синтеза действуют только на соседние клетки.
Функция:
o простагландинов – регуляция тонуса гладких мышц сосудов, ЖКТ, бронхолегочной си-стемы, мочеполовой системы.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 41
o простациклинов (подтип простагландинов) – уменьшение агрегации тромбоцитов и рас-ширение мелких сосудов.
o тромбоксанов – усиление агрегации тромбоцитов и сужение мелких сосудов.
o лейкотриенов – активация лейкоцитов, увеличение их подвижности, также регуляция тонуса гладких мышц сосудов и бронхов.
Гиповитаминоз
Причина. Пищевая недостаточность, нарушение желчеотделения, переваривания и вса-сывания жиров.
Клиническая картина. Единственным четко доказанным проявлением нехватки вита-мина F является фолликулярный гиперкератоз.
Фолликулярный гиперкератоз – процесс, локализующийся в области волосяных фолликулов. Здесь возникают изолированные, мелкие, покрытые роговыми чешуй-ками узелки, в центре которых часто находятся скрученные волоски. При поглажи-вании создается впечатление терки.
Также с недостатком полиненасыщенных жирных кислот в настоящее время связывается воспалительные поражения кожи (возникновение некротических очагов, экзема, выпадение волос), поражение почек, потеря способности к размножению, жировая инфильтрация печени, атеросклероз, иммунодефициты, затягивание и хроническое течение воспалительных заболе-ваний.
Лекарственные формы
Гепатопротекторы и антиатерогенные препараты: эссенциале, линетол, линол.
ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ВИТАМИНЫ
ВИТАМИН В1 (ТИАМИН, АНТИНЕВРИТНЫЙ)
Источники
Черный хлеб, злаки, горох, фасоль, мясо, дрожжи.
Суточная потребность
2,0-3,0 мг.
Строение
В составе тиамина определяется пиримидиновое кольцо, соединенное с тиазоловым кольцом. Коферментной формой витамина является тиаминдифосфат.
Метаболизм
Всасывается в тонком кишечнике в виде свободного тиамина. Витамин фосфорилиру-ется непосредственно в клетке-мишени. Примерно 50% всего В1 находится в мышцах, около 40% – в печени.
Биохимические функции
1. Входит в состав тиаминдифосфата (ТДФ), который является коферментом:
o фермента транскетолазы второго этапа пентозофосфатного пути,
Витамины 42
o ферментов пируватдегидрогеназы и -кетоглутаратдегидрогеназы, которые участ-вуют в энергетическом обмене.
2. Входит в состав тиаминтрифосфата, который изучен еще недостаточно. Имеются разроз-ненные сведения об участии ТТФ в передаче нервного импульса, в генерации клеточного сигнала, в реакциях клеточного биоэлектрогенеза, в регуляции активности ионных кана-лов.
Гиповитаминоз
Причина. Недостаток в пище, а также избыток алкогольсодержащих напитков или уг-леводных продуктов питания, которые повышают потребность в витамине.
Клиническая картина. Болезнь "бери-бери" или "ножные кандалы" – нарушение мета-болизма пищеварительной, сердечно-сосудистой и нервной систем из-за недостаточного энер-гетического и пластического обмена.
Со стороны нервной ткани наблюдаются:
o полиневриты: снижение периферической чувствительности, утрата некоторых рефлек-сов, боли по ходу нервов,
o энцефалопатия: синдром Вернике – спутанность сознания, нарушение координации, галлюцинации, нарушение зрительной функции, синдром Корсакова – ретроградная ам-незия, неспособность усваивать новую информацию, болтливость.
Со стороны сердечно-сосудистой системы отмечается нарушение сердечного ритма, боли в сердце и увеличение его размеров.
В желудочно-кишечном тракте нарушается секреторная и моторная функция, возни-кает атония кишечника и запоры, исчезает аппетит, уменьшается кислотность желудочного сока.
Антивитамины В1
В кишечнике имеется бактериальная тиаминаза, разрушающая тиамин. Также этот фер-мент активен в сырой рыбе, устрицах.
Лекарственные формы
Свободный тиамин и ТДФ (кокарбоксилаза).
ВИТАМИН В2 (РИБОФЛАВИН, ВИТАМИН РОСТА)
Источники
Достаточное количество содержат мясные продукты, печень, почки, молочные про-дукты, дрожжи. Также витамин образуется кишечными бактериями.
Суточная потребность
2,0-2,5 мг.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 43
Строение
В состав рибофлавина входит флавин – изоаллоксазиновое кольцо с заместителями (азотистое основание) и спирт рибитол.
Коферментные формы витамина дополнительно содержат либо только фосфорную кислоту – флавинмононуклеотид (ФМН), либо фосфорную кислоту, дополнительно связанную с АМФ – флавинадениндинуклеотид (см также упрощенные фор-мулы коферментов).
Метаболизм
В кишечнике рибофлавин освобождается из состава пище-вых ФМН и ФАД, и диффундирует в кровь. В слизистой кишечника и других тканях вновь образуется ФМН и ФАД.
Биохимические функции
Кофермент оксидоредуктаз – обеспечивает перенос 2 атомов водорода в окислительно-восстановительных реакциях.
Витамины 44
Витамин содержат:
1. Дегидрогеназы энергетического обмена – пируватдегидрогеназа, -кетоглутаратдегидро-геназа, сукцинатдегидрогеназа, ацил-SКоА-дегидрогеназа, митохондриальная глицерол-3-фосфатдегидрогеназа.
2. Оксидазы, окисляющие субстраты с участием молекулярного кислорода. Например, реак-ции обезвреживания биогенных аминов (гистамина, серотонина, дофамина).
Гиповитаминоз
Причина. Пищевая недостаточность, хранение пищевых продуктов на свету, фототера-пия, алкоголизм и нарушения ЖКТ.
Клиническая картина. В первую очередь страдают высокоаэробные ткани – эпителий кожи и слизистых. Проявляется как сухость ротовой полости, губ и роговицы; хейлоз, т.е. трещины в уголках рта и на губах ("заеды"), глоссит (фуксиновый язык), шелушение кожи в районе носогубного треугольника, мошонки, ушей и шеи, конъюнктивит и блефарит.
Сухость конъюнктивы и ее воспаление ведут к компенсаторному увеличению кровотока в этой зоне и улучшению снабжения ее кислородом, что проявляется как васкуляризация ро-говицы.
Антивитамины В2
1. Акрихин (атебрин) – ингибирует функцию рибофлавина у простейших. Используется при лечении малярии, кожного лейшманиоза, трихомониаза, гельминтозов (лямблиоз, тени-идоз).
2. Мегафен – тормозит образование ФАД в нервной ткани, используется как седативное средство.
3. Токсофлавин – конкурентный ингибитор флавиновых дегидрогеназ.
Лекарственные формы
Свободный рибофлавин, ФМН и ФАД (коферментные формы).
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 45
ВИТАМИН В3 (РР, НИАЦИН, АНТИПЕЛЛАГРИЧЕСКИЙ)
Название дано от итальянского выражения preventive pellagra – предотвращающий пел-лагру.
Источники
Хорошим источником являются печень, мясо, рыба, бобовые, гречка, черный хлеб, в мо-локе и яйцах витамина мало. Также синтезируется в организме из триптофана – 60 мг трипто-фана равноценны примерно 1 мг никотинамида.
Суточная потребность
15-25 мг.
Строение
Витамин существует в виде никотиновой кислоты или никотинамида. Его кофермент-ными формами являются никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и фосфорилированная по 2'-атому рибозы форма – никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ).
Витамины 46
Биохимические функции
Перенос гидрид-ионов Н– (атом водорода и электрон) в окислительно-восстановитель-ных реакциях:
Благодаря переносу гидрид-иона витамин обеспечивает следующие задачи:
1. Синтез и окисление карбоновых кислот, аминокислот (глутамат), жиров (холестерол, жир-ные кислоты) и углеводов, так как НАД и НАДФ служат коферментами большинства де-гидрогеназ.
2. НАДН выполняет регулирующую функцию, поскольку является ингибитором некоторых реакций окисления, например, в цикле трикарбоновых кислот.
3. Защита наследственной информации – НАД является субстратом поли-АДФ-рибозили-рования в процессе сшивки хромосомных разрывов и репарации ДНК.
4. Защита от свободных радикалов – НАДФН является необходимым компонентом антиок-сидантной системы клетки (см раздел "Окислительный стресс").
5. НАДФН участвует в реакциях синтеза тетрагидрофолиевой кислоты (см ниже) из фолие-вой, например, после синтеза тимидилмонофосфата, восстановлении тиоредоксина при синтезе дезоксирибонуклеотидов.
Гиповитаминоз
Причина. Пищевая недостаточность ниацина и триптофана.
Клиническая картина. Проявляется заболеванием пеллагра (итал.: pelle agra – шерша-вая кожа). Проявляется как синдром трех Д: деменция (нервные и психические расстройства, слабоумие), дерматиты (фотодерматиты), диарея (слабость, расстройство пищеварения, по-теря аппетита). При отсутствии лечения заболевание кончается летально.
У детей при гиповитаминозе наблюдается замедление роста, похудание, анемия.
Антивитамины Фтивазид, тубазид, ниазид – лекарства, используемые для лечения туберкулеза. По од-ной из гипотез, механизм действия ниазида – замена никотиновой кислоты в реакциях синтеза никотинамидаденин-динуклеотида (изо-НАД вместо НАД) и невозможность протекания окис-лительно-восстановительных реакций.
Лекарственные формы
Никотинамид и никотиновая кислота.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 47
ВИТАМИН В5 (ПАНТОТЕНОВАЯ КИСЛОТА)
Источники
Любые пищевые продукты, особенно бобовые, дрожжи, животные продукты.
Суточная потребность
10-15 мг.
Строение
Витамин существует только в виде пантотеновой кислоты, в ее составе находится -ала-нин и пантоевая кислота (2,4-дигидрокси-3,3-диметилмасляная).
Его коферментными формами являются кофермент А (коэнзим А, HS-КоА) и 4-фос-фопантетеин.
Биохимические функции
Коэнзим А не связан прочно с каким-либо ферментом, его функция – перенос жирных кислот (ацильных, в том числе ацетильных, групп):
o в реакциях энергетического окисления глюкозы, жирных кислот и радикалов амино-кислот, например, в работе ферментов пируватдегидрогеназы, -кетоглутаратдегидроге-назы, ацил-SКоА-дегидрогеназы, еноил-SКоА-дегидрогеназы.
o в реакциях синтеза жирных кислот, триацилглицеролов и фосфолипидов,
o в реакциях синтеза ацетилхолина и гликозаминогликанов, образования гиппуровой кислоты и желчных кислот.
Витамины 48
Гиповитаминоз
Причина. Пищевая недостаточность.
Клиническая картина. Проявляется в виде педиолалгии (эритромелалгии) – пораже-ние малых артерий дистальных отделов нижних конечностей, симптомом является жжение в стопах. В эксперименте проявляется поседение волос, поражение кожи и ЖКТ, дисфункции нервной системы, дистрофия надпочечников, стеатоз печени, апатия, депрессия, мышечная слабость, судороги.
Но так как витамин есть во всех продуктах, гиповитаминоз встречается очень редко.
Лекарственные формы
Пантотенат кальция, коэнзим А.
ВИТАМИН В6 (ПИРИДОКСИН, АНТИДЕРМАТИТНЫЙ)
Источники
Витамином богаты злаки, бобовые, дрожжи, печень, почки, мясо, также синтезируется кишечными бактериями.
Суточная потребность
1,5-2,0 мг
Строение
Витамин существует в виде пиридоксина. Его коферментными формами являются пири-доксальфосфат и пиридоксаминфосфат.
Биохимические функции
1. Является коферментом фосфорилазы гликогена (50% всего витамина находится в мыш-цах), участвует в синтезе гема, фосфолипидов и сфинголипидов.
2. Наиболее известная функция пиридоксиновых коферментов – перенос аминогрупп и кар-боксильных групп в реакциях метаболизма аминокислот:
o кофермент аминотрансфераз, переносящих аминогруппы между аминокислотами,
o кофермент декарбоксилаз, участвующих в синтезе биогенных аминов из аминокислот, например, ГАМК (-аминомасляная кислота, греч.: – гамма) из глутаминовой кислоты.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 49
Гиповитаминоз
Причина. Пищевая недостаточность, хранение продуктов на свету и консервирование, использование ряда лекарств (антитуберкулезные средства, L-ДОФА, эстрогены в составе противозачаточных средств), беременность, алкоголизм.
Клиническая картина. Повышенная возбудимость ЦНС, эпилептиформные судороги (из-за недостатка синтеза ГАМК), полиневриты, пеллагроподобные дерматиты, эритемы и пигментация кожи, отеки, анемии.
Лекарственные формы
Пиридоксин и пиридоксальфосфат.
ВИТАМИН С (АСКОРБИНОВАЯ КИСЛОТА, АНТИЦИНГОТНЫЙ)
Источники
Свежие овощи и фрукты (по убыванию количества): шиповник, смородина, перец сладкий, укроп, капуста, земляника, клубника, апельсины, лимоны, малина.
Суточная потребность
100 мг.
Строение
Витамин является производным глюкозы.
Биохимические функции
Участие в окислительно-восстановительных реакциях в ка-честве донора электронов:
1. Реакции гидроксилирования:
o пролина и лизина в их гидроксиформы при "созревании" коллагена,
o при синтезе гиалуроновой кислоты и хондроитинсульфата, желчных кислот,
o при синтезе кортикостероидов, катехоламинов и тиреоидных гормонов,
o при синтезе биогенного амина нейромедиатора серотонина,
Витамины 50
o при синтезе карнитина (витаминоподобное вещество ВТ), необходимого для окисления жирных кислот.
2. Восстановление иона Fe3+ в ион Fe2+ в кишечнике (улучшение всасывания) и в крови (вы-свобождение из связи с трансферрином).
3. Участие в иммунных реакциях:
o повышает продукцию защитных белков нейтрофилов,
o высокие дозы витамина стимулируют бактерицидную активность и миграцию нейтрофи-лов.
4. Антиоксидантная роль:
o восстановливает окисленный витамин Е,
o лимитирует свободнорадикальные реакции благодаря восстановлению активных кисло-родных радикалов,
o ограничивает воспаление,
o снижает окисление липопротеинов в плазме крови и, таким образом, оказывает антиате-рогенный эффект.
Гиповитаминоз
Причина. Пищевая недостаточность, излишняя тепловая обработка пищи.
Клиническая картина. Цинга – нарушение синтеза коллагена, гиалуроновой кислоты и хондроитинсульфата, что приводит к поражению соединительной ткани, ломкости и прони-цаемости капилляров и к ухудшению заживления ран. Сопровождается дегенерацией одон-тобластов и остеобластов, ухудшается состояние зубов.
Отмечается нарушение иммунитета, особенно легочного, развивается общая слабость, быстрая утомляемость, похудание, одышка, боли в сердце, отек нижних конечностей. У муж-чин происходит слипание сперматозоидов и возникает бесплодие.
Снижается всасываемость железа в кишечнике, что вызывает нарушение синтеза гемо-глобина и железодефицитную анемию. Уменьшается активность фолиевой кислоты – это приводит к мегалобластической анемии.
У детей дефицит аскорбиновой кислоты приводит к болезни Меллера-Барлоу, прояв-ляющуюся в поражении костей: разрастание и минерализация хряща, торможение рассасыва-ния хряща, корытовидное западение грудины, искривление длинных трубчатых костей ног, выступающие четкообразные концы ребер. Цинготные четки, в отличие от рахитических, бо-лезненны.
Лекарственные формы
Аскорбиновая кислота чистая или с глюкозой.
ВИТАМИН В9 (ВC, ФОЛИЕВАЯ КИСЛОТА)
Источники
Растительные продукты, дрожжи, мясо, печень, почки, желток яиц. Витамин активно синтезируется дружественной кишечной микрофлорой.
Суточная потребность
400 мкг.
Строение
Витамин представляет собой комплекс из трех составляющих – птеридина, параамино-бензойной кислоты и глутаминовой кислоты. Остатков глутамата, соединенных через -кар-боксильную группу, может быть разное количество.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 51
Биохимические функции
Непосредственная функция тетрагидрофолиевой кислоты – перенос одноуглеродных фрагментов:
o формила – в составе N5-формил-ТГФК и N10-формил-ТГФК,
o метенила – в составе N5,N10-метенил-ТГФК,
o метилена – в составе N5,N10-метилен-ТГФК,
o метила – в составе N5-метил-ТГФК,
o формимина – в составе N5-формимино-ТГФК.
Благодаря способности переносить одноуглеродные фрагменты витамин:
o участвует в синтезе пуриновых оснований и тимидинмонофосфата, и, следовательно, в синтезе ДНК,
o участвует в обмене аминокислот – обратимое превращение глицина и серина,
N5-метил-ТГФК взаимодействует с витамином В12, являясь донором метильной группы при превращении гомоцистеина в метионин.
Гиповитаминоз
Причина. Пищевая недостаточность, кислые продукты, тепловая обработка пищи, прием лекарств (барбитураты, сульфаниламиды и антибиотики, некоторые цитостатики – ами-ноптерин, метотрексат), алкоголизм и беременность.
Витамины 52
Клиническая картина. В первую очередь затрагиваются органы кроветворения: так как клетки не теряют способности расти, и в них происходит нарушение синтеза ДНК с останов-кой деления, то это приводит к образованию мегалобластов (крупных клеток) и мегалобла-стической анемии. По той же причине отмечается лейкопения.
Аналогично развивается поражение слизистых желудка и кишечного тракта (гастриты, энтериты), глоссит.
Отмечается замедление роста, конъюнктивит, ухудшение заживления ран, иммунодефи-циты, оживление хронических инфекций и субфебрилитет.
Лекарственные формы
Фолинат кальция.
Антивитамины
Антивитамином В9 является группа лекарственных антибактериальных соединений сульфаниламидов структурно схожих с компонентом фолиевой кислоты – парааминобензой-ной кислотой (ПАБК). В бактериальной клетке происходит конкуренция за активный центр фермента и нарушается использование ПАБК для синтеза фолиевой кислоты, что ведет к пре-кращению синтеза тимидилового нуклеотида, подавлению синтеза ДНК и размножения бак-терии.
ВИТАМИН В12 (КОБАЛАМИН, АНТИАНЕМИЧЕСКИЙ)
Источники
Из пищевых продуктов витамин содержат только животные продукты: печень, рыба, почки, мясо. Также он синтезируется кишечной микрофлорой, однако не доказана возмож-ность всасывания витамина в нижних отделах ЖКТ.
Суточная потребность
2,5-5,0 мкг.
Строение
Цианкобаламин содержит 4 пиррольных кольца, ион кобальта (с валентностью от Co3+ до Co6+), группу CN–. В организме при синтезе коферментных форм цианидная группа CN– заменяется метильной или 5'-дезоксиаденозильной.
Метаболизм
Для всасывания в кишечнике необходим внутренний фактор Касла – гликопротеин, синтезируемый обкладочными клетками желудка. В крови транспортируется в виде гидрокси-кобаламина специфическими транспортными белками (- и -глобулинами).
Биохимические функции
Витамин В12 участвует в двух видах реакций – реакции изомеризации и метилирова-ния.
1. Основой изомеризующего действия витамина В12 является возможность способствовать переносу атома водорода на атом углерода в обмен на какую-либо группу.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 53
Это имеет значение в процессе окисления остатков жирных кислот с нечетным числом атомов углерода, при утилизации углеродного скелета треонина, валина, лейцина, изолей-цина, метионина, боковой цепи холестерола при котором образуется остаток пропионовой кислоты, который карбоксилируется до метилмалонила и далее превращается в сукцинил-SКоА – метаболит ЦТК.
2. В реакции трансметилирования при синтезе метионина метилкобаламин выступает по-средником при переносе CH3-группы от метил-ТГФК на гомоцистеин.
Гиповитаминоз
Причина. У вегетарианцев – пищевая недостаточность, однако чаще причиной является не отсутствие в пище, а плохое всасывание в результате заболеваний желудка и кишечника (атрофический гастрит и энтериты).
Также иногда встречаются аутоиммунные нарушения, при которых образуются антитела против обкладочных клеток желудка и против внутреннего фактора Касла (пернициозная анемия), что препятствует всасыванию витамина.
Клиническая картина.
1. Макроцитарная анемия, при которой количество эритроцитов снижено в 3-4 раза. Она возникает чаще у пожилых, но может быть и у детей. Непосредственной причиной анемии является потеря фолиевой кислоты клетками при недостаточности витамина В12 и, как следствие, замедление деления клеток из-за снижения синтеза пуриновых нуклеотидов и ТМФ.
2. Неврологические нарушения:
o замедление окисления жирных кислот с нечетным числом атомов углерода и накопление токсичного метилмалоната вызывает жировую дистрофию нейронов и демиелиниза-цию нервных волокон. Это проявляется в онемении кистей и стоп, ухудшении памяти, нарушении походки, снижении кожной чувствительности, нарушении сухожильных ре-флексов (ахиллов, коленный),
Витамины 54
o нехватка метионина опосредует снижение активности реакций метилирования, в частно-сти, уменьшается синтез нейромедиатора ацетилхолина.
Лекарственные формы
Цианкобаламин, кобамамид, оксикобаламин.
ВИТАМИН Н (БИОТИН, АНТИСЕБОРЕЙНЫЙ)
Источники
Из пищевых продуктов витамин содержат печень, почки, горох, соя, цветная капуста, грибы. Также он синтезируется кишечной микрофлорой.
Суточная потребность
150-200 мкг.
Строение
Гетероциклическая часть молекулы состоит из имидазоль-ного и тиофенонового циклов. К последнему присоединена вале-риановая кислота, которая через COOH-группу связывается с ли-зином белковой части молекулы. Биотин-лизиновый конъюгат но-сит название биоцитин.
Биохимические функции
Биотин участвует в переносе СО2 либо из НСО3– (реакции карбоксилирования), либо от R-СООН (реакция транскарбоксилирования). Этот перенос необходим:
o при синтезе оксалоацетата – биотин находится в составе пируваткарбоксилазы (см "Об-мен углеводов"), что обеспечивает поддержание активности цикла трикарбоновых кислот и глюконеогенеза,
o в синтезе жирных кислот – биотин находится в составе ацетил-SКоА-карбоксилазы (см "Обмен липидов"),
o в утилизации разветвленных углеродных цепей при катаболизме лейцина, изолейцина и некоторых жирных кислот – находится в составе пропионил-SКоА-карбоксилазы, об-разующей метилмалонил-SКоА. В дальнейшем метилмалонил-SКоА метаболизирует в реакции изомеризации с участием витамина B12.
Гиповитаминоз
Причина. Дисбактериоз и комплексное нарушение поступления витаминов, например, при длительном парентеральном питании. В эксперименте может быть вызван потреблением больших количеств сырых яиц (не менее 12 штук в день) в течение длительного времени (2 недели), т.к. в них содержится гликопротеин авидин (антивитамин, связывающий биотин).
Клиническая картина. У человека практически не встречается. В эксперименте обна-руживаются дерматиты, выделение жира сальными железами кожи (себорея), поражение ног-тей, выпадение волос, анемия, анорексия, депрессия, усталость, сонливость.
ФЕРМЕНТЫ
Основу всех жизненных процессов составляют тысячи химических реакций, катализи-руемых ферментами. Значение ферментов точно и образно определил И.П.Павлов, назвав их "возбудителями жизни". Нарушения в работе ферментов ведут к возникновению тяжелых за-болеваний (фенилкетонурия, гликогенозы, галактоземия, тирозинемия) или существенному снижению качества жизни (дислипопротеинемии, гемофилии).
Известно, что для осу-ществления химической реак-ции необходимо, чтобы реаги-рующие вещества имели сум-марную энергию выше, чем ве-личина, называемая энергетиче-ским барьером реакции. Для ха-рактеристики величины энерге-тического барьера Аррениус ввел понятие энергии актива-ции. Преодоление энергии ак-тивации в химической реакции достигается либо увеличением энергии взаимодействующих молекул, например, нагреванием, облучением, повышением давления, либо снижением требу-емых для реакции затрат энергии (т.е. энергии активации) при помощи катализаторов.
По своей функции ферменты являются биологическими катализаторами. Сущность дей-ствия ферментов, так же как неорганических катализаторов, заключается:
o в активации молекул реагирующих веществ,
o в разбиении реакции на несколько стадий, энергетический барьер каждой из которых ниже такового общей реакции.
Однако энергетически невозможные реакции ферменты катализировать не будут, они ускоряют только те реакции, которые могут идти в данных условиях.
ЭТАПЫ ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА
В ферментативной реакции можно выделить следующие этапы:
1. Присоединение субстрата (S) к ферменту (E) с образованием фермент-субстратного ком-плекса (E-S).
2. Преобразование фермент-субстратного комплекса в один или несколько пере-ходных комплексов (E-X) за одну или несколько стадий.
3. Превращение переходного комплекса в комплекс фермент-продукт (E-P).
4. Отделение конечных продуктов от фермента.
МЕХАНИЗМЫ КАТАЛИЗА
1. Кислотно-основной катализ – в активном центре фермента находятся группы специ-фичных аминокислотных остатков, которые являются хорошими донорами или акцепторами
Ферменты 56
протонов. Такие группы представляют собой мощные катализаторы многих органических ре-акций.
2. Ковалентный катализ – ферменты реаги-руют со своими субстратами, образуя при помощи ко-валентных связей очень нестабильные фермент-суб-стратные комплексы, из которых в ходе внутримоле-кулярных перестроек образуются продукты реакции.
ТИПЫ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ
1. Тип "пинг-понг" – фермент сначала взаимодействует с субстратом А, отбирая у него какие-либо химические группы и превращая его в соответствующий продукт PA. Затем к фер-менту присоединяется субстрат В, получающий эти химические группы. Примером являются реакции переноса аминогрупп от аминокислот на кетокислоты (см "Трансаминирование").
2. Тип последовательных реакций – к ферменту последовательно присоединяются суб-страты А и В, образуя "тройной комплекс", после чего осуществляется катализ. Продукты ре-акции PA и PB также последовательно отщепляются от фермента.
3. Тип случайных взаимодействий – субстраты А и В присоединяются к ферменту в любом порядке, неупорядоченно, и после катализа так же отщепляются.
Доноры
Акцепторы
-СООН
-NH3+
-SH
-OH
-СОО–
-NH2
-S–
-O–
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 57
СХОДСТВО И ОТЛИЧИЯ ФЕРМЕНТОВ И НЕОРГАНИЧЕСКИХ КАТАЛИЗАТОРОВ
Сходство
Отличия
1. Катализируют только энергетически возможные реакции.
2. Не изменяют направления реакции.
3. Ускоряют наступление равновесия реак-ции, но не сдвигают его.
4. Не расходуются в процессе реакции.
1. Скорость ферментативной реакции намного выше.
2. Высокая специфичность.
3. Мягкие условия работы (внутриклеточ-ные).
4. Возможность регулирования скорости ре-акции.
5. Скорость ферментативной реакции про-порциональна количеству фермента.
СТРОЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ
Давно выяснено, что все ферменты являются белками и обладают всеми свойствами бел-ков. Подобно белкам они делятся на простые и сложные.
Простые ферменты состоят только из аминокислот – например, пепсин, трипсин, лизо-цим.
Сложные ферменты (холоферменты) имеют в своем составе белковую часть, состоя-щую из аминокислот – апофермент, и небелковую часть – кофактор. Кофактор, в свою оче-редь, может называться коферментом или простетической группой. Примером могут быть сукцинатдегидрогеназа (содержит ФАД), аминотрансферазы (содержат пиридоксальфосфат), пероксидаза (содержит гем).
У сложных ферментов в активном центре обязательно расположены функциональные группы кофактора. Кофактор участвует в связывании субстрата или в его превращении. Для осуществления катализа необходим полноценный комплекс апобелка и кофактора, по отдель-ности катализ они осуществить не могут.
Ферменты 58
2. Аллостерический центр (allos – чужой) – центр регуляции активности фермента, ко-торый пространственно отделен от активного центра и имеется не у всех ферментов. Связы-вание с аллостерическим центром какой-либо молекулы (называемой активатором или инги-битором, а также эффектором, модулятором, регулятором) вызывает изменение конфигурации белка-фермента и, как следствие, скорости ферментативной реакции. В качестве такого регу-лятора может выступать продукт данной или одной из последующих реакций, субстрат реак-ции или иное вещество (см "Регуляция активности ферментов").
Аллостерические ферменты являются полимерными белками, их активный и регуля-торный центры находятся в разных субъединицах.
ИЗОФЕРМЕНТЫ
Изоферменты – это молекулярные формы одного и того же фермента, возникшие в ре-зультате небольших генетических различий в первичной структуре фермента, но катализиру-ющие одну и ту же реакцию.
Изоферменты отличаются сродством к субстрату, максимальной скорости катализиру-емой реакции, разной чувствительности к регуляторам (ингибиторы и активаторы), усло-виям работы (оптимум pH и температуры).
Как правило, изоферменты имеют четвертичную структуру, т.е. состоят из двух или бо-лее субъединиц. Например, димерный фермент креатинкиназа представлен тремя изофер-ментными формами, составленными из двух типов субъединиц: M (англ. muscle – мышца) и B (англ. brain – мозг). Креатинкиназа-1 состоит из субъединиц типа B, локализуется в головном мозге, креатинкиназа-2 – по одной М и В субъединице активна в миокарде, креатинкиназа-3 – две М-субъединицы, специфична для скелетной мышцы.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 59
Еще одним примером изоферментов является группа гексокиназ, которые присоеди-няют фосфатную группу к глюкозе и вовлекают глюкозу в реакции клеточного метаболизма. Из четырех изоферментов выделяется гексокиназа IV (глюкокиназа) которая отличается от остальных изоферментов низким сродством к глюкозе и нечувствительностью к ингибирова-нию продуктом реакции.
Также существует пять изоферментов лактатдегидрогеназы (ЛДГ) – фермента, участ-вующего в обмене глюкозы. Отличия между ними заключаются в разном соотношении субъ-единиц Н (англ. heart – сердце) и М (англ. muscle – мышца). Лактатдегидрогеназы типов 1 (Н4) и 2 (H3M1) присутствуют в тканях с аэробным обменом (миокард, мозг, корковый слой почек), обладают высоким сродством к молочной кислоте (лактату) и превращают его в пируват. ЛДГ-4 (H1M3) и ЛДГ-5 (М4) находятся в тканях, склонных к анаэробному обмену (печень, скелет-ные мышцы, кожа, мозговой слой почек), обладают низким сродством к лактату и катализи-руют превращение пирувата в лактат. В тканях с промежуточным типом обмена (селезенка, поджелудочная железа, надпочечники, лимфатические узлы) преобладает ЛДГ-3 (H2M2).
МУЛЬТИФЕРМЕНТНЫЕ КОМПЛЕКСЫ
В мультиферментном комплексе не-сколько ферментов (например, Е1, Е2, Е3) прочно связаны между собой в единый ком-плекс и осуществляют ряд последовательных реакций, в которых продукт реакции непосред-ственно передается на следующий фермент и является только его субстратом. Благодаря та-ким комплексам значительно ускоряется ско-рость превращения молекул.
К ним относятся, например, пируватде-гидрогеназный комплекс, превращающий пи-руват в ацетил-SКоА, -кетоглутарат–дегидрогеназный комплекс, превращающий -кето-глутарат в сукцинил-SКоА, комплекс под названием "синтаза жирных кислот" (или пальми-татсинтаза), синтезирующий пальмитиновую кислоту.
Ферменты 60
П Р И Н Ц И ПЫ К О Л И Ч Е С Т В Е Н Н О Г О О П Р Е Д Е Л Е Н И Я
АК Т И В Н О С Т И Ф Е Р М Е Н Т О В
1. Активность фермента выражается в скорости накопления продукта или скорости убыли суб-
страта в пересчете на количество материала, содержащего фермент.
Количество продукта или субстрата
Активность фермента
Количество времени Масса или объем пробы
В практике обычно используют:
o единицы количества вещества – моль (и производные ммоль, мкмоль), грамм (кг, мг),
o единицы времени – минута, час, секунда,
o единицы массы или объема – грамм (кг, мг), литр (мл).
Активно используются и другие производные – катал (моль/с), международная еди-
ница активности (МЕ, Unit) соответствует мкмоль/мин.
Таким образом, активность фермента может выражаться, например, в ммоль/сл,
г/часл, МЕ/л, кат/мл и т.д.
2. Создание стандартных условий, чтобы можно было сравнивать результаты, полученные в
разных лабораториях – оптимальная рН, и фиксированная температура, например, 25°С
или 37°С, соблюдение времени инкубации субстрата с ферментом.
3. Избыток субстрата, чтобы работали все имеющиеся в растворе молекулы фермента.
С В О Й С Т В А Ф Е Р М Е Н Т О В
1. Зависимость активности фермента от тем-
пературы – описывается колоколообразной
кривой с максимумом скорости при значе-
ниях оптимальной температуры для данного
фермента.
Закон о повышении скорости реакции в 2-
4 раза при повышении температуры на 10°С
справедлив и для ферментативных реакций, но
только в пределах до 55-60°С, т.е. в значениях
до денатурации белков. Наряду с этим, как ис-
ключение, имеются ферменты некоторых мик-
роорганизмов, существующих в воде горячих
источников и гейзеров.
При понижении температуры активность ферментов понижается, но не исчезает совсем.
Иллюстрацией может служить зимняя спячка некоторых животных (суслики, ежи), темпера-
тура тела которых понижается до 3-5°С. Это свойство ферментов также используется в хирур-
гической практике при проведении операций на грудной полости, когда больного подвергают
охлаждению до 22°С.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 61
2. Зависимость активности фер-мента от рН – описывается ко-локолообразной кривой с макси-мумом скорости при оптималь-ном для данного фермента значе-ния рН.
Для каждого фермента суще-ствует определенный узкий интер-вал рН среды, который является оп-тимальным для проявления его выс-шей активности. Например, опти-мальные значения рН для пепсина 1,5-2,5, трипсина 8,0-8,5, амилазы слюны 7,2, аргиназы 9,7, кислой фосфатазы 4,5-5,0, сукци-натдегидрогеназы 9,0.
Объясняется это наличием таких аминокислот в структуре фермента, заряд кото-рых изменяется при изменении рН (лизин, аргинин, глутамат, аспартат). Изменение ионизации аминокислот приводит к изменению конформации молекулы и, следо-вательно, субстрат связывается или не связывается с активным центром.
3. Зависимость от количества фермента
При увеличении количества молекул фермента скорость реакции возрастает непрерывно и прямо пропорционально количеству фермента, т.к. большее количество молекул фермента производит большее число молекул продукта Зависимость активности фермента от субстрата описывает ферментативная кинетика, ее центральным понятием является константа Миха-элиса (Km) (см ниже).
4. Зависимость активности фермента от концентрации субстрата
При увеличении концентрации субстрата скорость реакции сначала возрастает, т.к. к катализу добавляемых молекул субстрата подключаются новые и новые молекулы фермента. Т.е. скорость накопления продукта возрастает, и это означает увеличение активности фер-мента. Затем наблюдается эффект насыщения (плато на кривой), когда все молекулы фермента заняты молекулами субстрата и непрерывно ведут катализ. Здесь скорость реакции макси-мальна. В некоторых случаях, при дальнейшем увеличении концентрации субстрата между его молекулами возникает конкуренция за активный центр фермента и активность фермента (скорость реакции) снижается.
Уравнение Михаэлиса-Ментен
Зависимость активности фермента от субстрата описывает уравнение Михаэлиса-Мен-тен, использующее константу Михаэлиса (Km), биологический смысл которой заключается в характеристике сродства фермента к субстрату, а именно: увеличение величины Кm означает снижение сродства фермента к субстрату.
Ферменты 62
Уравнение Михаэлиса-Ментен показывает взаимосвязь максимальной и реальной ско-ростей реакции, константы Михаэлиса и концентрации субстрата.
Уравнение Михаэлиса-Ментен
Выделяют три решения уравнения:
1. Концентрация субстрата равна величине констансты Михаэлиса ([S] = Km). В этом случае, решая уравнение Михаэлиса-Ментен, получаем, что скорость реакции V будет равна половине максимальной Vmax.(V = ½ Vmax).
В математическом смысле Km соответствует концентрации субстрата при которой ско-рость реакции равна половине максимальной.
2. Концентрация субстрата [S] значительно больше Km ([S] >> Km). В этом случае, ве-личиной Km можно пренебречь и при решении получаем, что скорость реакции максимальна (плато на графике).
3. Концентрация субстрата значительно меньше Km ([S] << Km). В этом случае, знаме-натель уравнения мало изменяется при изменении [S], а величина скорости реакции V прямо пропорциональна [S] (график линеен).
СПЕЦИФИЧНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ
Специфичность основана на комплементарности структуры субстрата и активного цен-тра фермента.
1. Стереоспецифичность – катализ только одного из стереоизомеров, например:
o специфичность к L- или D-аминокислотам – например, почти все ферменты человека взаимодействуют с L-аминокислотами,
o специфичность к цис- и транс-изомерам. Например, аспартаза реагирует только с транс-изомером – фумаровой кислотой, но не с малеатом (цис-изомер),
maxmVS]V=K+[S][
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 63
2. Абсолютная специфичность – фермент произво-дит катализ только одного вещества. Например, уреаза расщепляет только мочевину, глюкоки-наза фосфорилирует только D-глюкозу.
3. Групповая специфичность – катализ субстратов с общими структурными особенностями, т.е. при наличии определенной связи или химической группы:
o наличие пептидной связи, например, • бактери-
альный фермент субтилизин специфичен к пептидной связи независимо от строения об-разующих ее аминокислот, • пепсин катализирует разрыв пептидной связи, образованной аминогруппами ароматических аминокислот (см "Внешний обмен белков"), • тромбин в своих субстратах расщепляет пептидную связь только между аргинином и глицином.
o наличие ОН-группы, например, алкогольдегидрогеназа окисляет до альдегидов одно-атомные спирты (этанол, метанол, пропанол).
4. Относительная групповая специфичность – превращение субстратов с некоторыми об-щими признаками. Например, цитохром Р450 окисляет только гидрофобные вещества, ко-торых насчитывается около 7000.
МЕХАНИЗМЫ СПЕЦИФИЧНОСТИ
В общем виде все сводится к комплементарному взаимодействию фермента и субстрата. При этом функциональные группы субстрата взаимодействуют с соответствующими им функ-циональными группами фермента. Наличие субстратной специфичности объясняют две гипо-тезы:
1. Гипотеза Фишера (модель "жесткой матрицы", "ключ-замок") – активный центр фер-мента строго соответствует конфигурации субстрата и не изменяется при его присоединении. Эта модель хорошо объясняет абсолютную специфичность, но не групповую.
2. Гипотеза Кошланда (модель "индуцированного соответствия", "рука-перчатка") – подразумевает гибкость активного центра. Присоединение субстрата к якорному участку фер-мента вызывает изменение конфигурации каталитического центра таким образом, чтобы его форма соответствовала форме субстрата.
Ферменты 64
РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ IN VIVO
Активность ферментов в клетке непостоянна во времени. Она чутко реагирует на ситуа-цию, в которой оказывается клетка, на факторы, воздействующие на клетку как снаружи, так и изнутри. Главная цель этой реакции – отреагировать на изменение окружающей среды, при-способить клетку к новым условиям, дать должный ответ на гормональные и иные стимулы, а в некоторых ситуациях – получить шанс выжить.
1. Доступность субстрата или кофермента
Здесь работает закон действия масс – фунда-ментальный закон химической кинетики: при посто-янной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентрации реа-гирующих веществ. Или упрощенно – скорость, с ко-торой вещества реагируют друг с другом, зависит от их концентрации. Таким образом, изменение количе-ства хотя бы одного из субстратов прекращает или начинает реакцию.
Например, для цикла трикарбоновых кислот та-ким субстратом является оксалоацетат (щавелевоук-сусная кислота).
2. Компартментализация
Компартментализация – это сосредоточение ферментов и их субстратов в одном компартменте (одной органелле) – в эндоплазматическом ретикулуме, митохондриях, лизосомах. Например, -окисление жирных кислот протекает в митохондриях, синтез белка – в рибосомах.
3. Генетическая регуляци – изменение количества фермента
Изменение количества фермента может происходить в результате увеличения или сни-жения его синтеза. С этой точки зрения ферменты можно подразделить на три группы:
o конституитивные – такие ферменты, которые образуются в клетке постоянно.
o индуцируемые (адаптивные) – синтез этих ферментов возрастает при наличии соответ-ствующих стимулов (индукторов).
o репрессируемые – образование таких ферментов в клетке при необходимости подавля-ется.
Изменение скорости синтеза фермента (индукция или репрессия) обычно зависит от ко-личества определенных гормонов или метаболитов процесса.
Примеры индуцируемых ферментов:
o исчезновение пищеварительных ферментов при длительном голодании и индукция их синтеза в восстановительный период в результате возобновления секреции гормонов ЖКТ,
o гормоны глюкокортикоиды стимулируют синтез ферментов синтеза глюкозы (глюконе-огенеза), что обеспечивает стабильность концентрации глюкозы в крови при длитель-ном голоданиии и устойчивость ЦНС к стрессу,
o токсические субстраты (например, этанол и барбитураты) стимулируют в печени синтез "своего" изофермента цитохрома Р450, который окисляет и обезвреживает эти веще-ства.
Примеры репрессируемых ферментов:
o подавление синтеза триптофана бактериями при деятельности триптофанового оперона (см "Регуляция транскрипции"),
o в печени репрессия фермента синтеза холестерола ГМГ-SKoA-редуктазы под влиянием холестерина и желчных кислот.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 65
4. Ограниченный (частичный) протеолиз проферментов
Синтез некоторых ферментов осуществляется в виде более крупного предшественника (трипсиноген, пепсиноген, прокарбоксипептидазы, факторы свертывания крови) и при поступлении в нужное место этот фермент активируется через отщепление от него одного или нескольких пептидных фрагментов.
Секреция ряда ферментов за пределы клетки в неактивном состоянии позволяет предохранить клетки от повреждения (пи-щеварительные ферменты) или сохранить белок до наступления определенного мо-мента (протромбин, фибриноген, белки комплемента).
5. Аллостерическая регуляция.
Аллостерические ферменты постро-ены из двух и более субъединиц: одни субъединицы содержат каталитический центр, другие являются регуляторными. Присоединение эффектора к аллостериче-ской (регуляторной) субъединице изме-няет конформацию белка и активность ка-талитической субъединицы.
Аллостерические ферменты обычно стоят в начале метаболических путей, и от их активности зависит течение многих по-следующих реакций. Поэтому они часто называются ключевыми ферментами.
В качестве отрицательного регуля-тора может выступать конечный метабо-лит биохимического процесса, продукт данной реакции, т.е работает механизм об-ратной отрицательной связи. Если регу-ляторами являются начальный метаболит или субстрат реакции, то говорят о прямой регуляции, она может быть как положи-тельной, так и отрицательной. Также регу-лятором могут быть метаболиты биохими-ческих путей, каким-то образом связанных с данной реакцией.
Например, фермент энергетического распада глюкозы, фосфофруктокиназа, регулируется промежуточными и конеч-ными продуктами этого распада. При этом АТФ, лимонная кислота, фруктозо-1,6-дифосфат являются ингибиторами, а фрук-тозо-6-фосфат и АМФ – активаторами фермента.
6. Белок-белковое взаимодействие
Термин белок-белковое взаимодействие обозначает ситуацию, когда в качестве регуля-тора выступают не метаболиты биохимических процессов, а специфичные белки. Влияние ка-ких-либо факторов на эти белки изменяет их активность, и они, в свою очередь, воздействуют на нужный фермент.
Ферменты 66
К примеру, мембранный фермент аденилатциклаза является чувствительным к воздей-ствию мембранного G-белка, который сам активируется при действии на клетку некоторых гормонов (например, адреналина и глюкагона).
Другим примером белок-белкового взаимодействия может быть регуляция активности протеинкиназы А. Протеинкиназа А является тетрамерным ферментом, состоящим из 2 ка-талитических (С) и 2 регуляторных (R) субъединиц. Активатором для протеинкиназы А явля-ется цАМФ. Присоединение цАМФ к регуляторным субъединицам фермента вызывает изме-нение их конформации и отхождение от каталитических субъединиц. Каталитические субъ-единицы при этом активируются.
7. Ковалентная (химическая) модификация
Ковалентная модификация заключается в обратимом присоединении или отщеплении определенной группы, благодаря чему изменяется активность фермента. Чаще всего такой группой является фосфорная кислота, реже метильные и ацетильные группы. Фосфорилиро-вание фермента происходит по остаткам серина, треонина, тирозина. Присоединение фосфор-ной кислоты к белку осуществляют ферменты протеинкиназы, отщепление – протеинфос-фатазы.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 67
Ферменты могут быть активны как в фосфорилированном, так и в дефосфорилированном состоянии. Например, ферменты гликогенфосфорилаза и гликогенсинтаза в мышцах при нагрузке фосфорилируются, при этом фосфорилаза гликогена становится активной и начи-нает расщепление гликогена, а гликогенсинтаза неактивна. При отдыхе и синтеза гликогена оба фермента дефосфорилируются, синтаза при этом становится активной, фосфорилаза – неактивной.
ИНГИБИРОВАНИЕ ФЕРМЕНТОВ
В медицине активно разрабатываются и используются соединения, изменяющие актив-ность ферментов с целью регуляции скорости метаболических реакций и уменьшения синтеза определенных веществ в организме.
Подавление активности ферментов обычно называют ингибированием, однако это не всегда корректно. Ингибитор – это вещество, вызывающее специфичное снижение активно-сти фермента. Таким образом, неорганические кислоты и тяжелые металлы ингибиторами не являются, но являются инактиваторами, т.к. снижают активность многих ферментов, т.е. действуют неспецифично.
1. По прочности связывания фермента с ингибитором ингибирование бывает обратимым и необратимым.
2. По отношению ингибитора к активному центру фермента ингибирование делят на конку-рентное и неконкурентное.
НЕОБРАТИМОЕ ИНГИБИРОВАНИЕ
При необратимом ингибировании происходит связывание или разрушение функцио-нальных групп фермента, необходимых для проявления его активности.
Ферменты 68
Например, вещество диизопропилфторфосфат прочно и необратимо связывается с гид-роксигруппой серина в активном центре ацетилхолинэстеразы, гидролизующей ацетилхо-лин в нервных синапсах. Ингибирование этого фермента предотвращает распад ацетилхолина в синаптической щели, в результате чего отсутствует дальнейшая передача сигнала по нерву.
Еще один пример связан с ингибированием ацетилсалициловой кислотой (аспирином) ключевого фермента синтеза простагландинов – циклооксигеназы. Эта кислота входит в со-став противовоспалительных средств и используется при воспалительных заболеваниях и ли-хорадочных состояниях. Присоединение ацетильной группы к гидроксильной группе серина в активном центре фермента вызывает инактивацию последнего и прекращение синтеза про-стагландинов.
КОНКУРЕНТНОЕ ИНГИБИРОВАНИЕ
При таком виде ингибирования ингибитор по своей структуре похож на субстрат фер-мента. Поэтому он соперничает с субстратом за активный центр (за контактный участок), что приводит к уменьшению связывания субстрата с ферментом и нарушению катализа. В этом состоит особенность конкурентного ингибирования – возможность усилить или ослабить ин-гибирование через изменение концентрации субстрата. При данном ингибировании макси-мальная скорость реакции остается вполне достижимой при создании высоких концентраций субстрата.
Например:
1. К конкурентным ингибиторам относят антиметаболиты или псевдосубстраты, например, антибактериальные средства сульфаниламиды, схожие по структуре с p-аминобензойной кислотой, компонентом фолиевой кислоты. При лечении сульфанилами-дами в бактериальной клетке конкурентно нарушается использование p-аминобензойной кис-лоты для синтеза дигидрофолиевой кислоты, что и вызывает лечебный эффект.
2. Ингибирование сукцинатдегидрогеназы малоновой кислотой, структура которой схожа со структурой субстрата этого фермента – янтарной кислоты (сукцината).
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 69
3. В качестве других примеров лекарственных конкурентных ингибиторов можно при-вести
o ингибитор синтеза холестерина ловастатин, ингибирующий ГМГ-SКоА-редуктазу,
o противоопухолевый препарат метотрексат, подавляющий дигидрофолатредуктазу,
o непрямой антикоагулянт дикумарол, конкурент витамина К,
o антигипертензиный препарат метил-ДОФА, подавляющий активность ДОФА-декарбоксилазы,
o средство лечения подагры аллопуринол, ингибирующий ксантиноксидазу.
Известным примером является конкуренция этанола и метанола за алкогольде-гидрогеназу. Эта конкуренция не является ингибированием в буквальном смысле слова, т.к. фермент остается активным, но эти два спирта эффективно вытесняют друг друга из активного центра фермента, что используется в клинике при отрав-лении метанолом.
Используя терминологию кинетики Михаэлиса-Ментен можно сказать, что конкурент-ный ингибитор уменьшает сродство фермента к субстрату, повышая константу Михаэлиса (Km), максимальная скорость реакции (Vmax) остается при этом неизменнной.
НЕКОНКУРЕНТНОЕ ИНГИБИРОВАНИЕ
Данный вид ингибирования связан с присоединением ингибитора не в активном центре, а в другом месте молекулы. Но при этом так меняется структура активного центра, что после связывания субстрата реакция становится невозможной. Это может быть аллостерическое ин-гибирование, когда активность фермента снижается естественными модуляторами (см выше), или связывание с ферментом каких-либо токсинов. Например, синильная кислота (цианиды) связывается с гемовым железом ферментов дыхательной цепи и блокирует клеточное дыха-ние.
Особенностью неконкурентного ингибитора является его способность связываться с ферментом независимо от субстрата, т.е. изменение концентрации субстрата никак не влияет на образование комплекса фермент-ингибитор.
Ферменты 70
Максимальная скорость реакции (Vmax) при этом снижается, константа Михаэлиса (Km) не изменяется, т.е. добавление дополнительного субстрата не может повлиять на состояние активного центра и работу фермента.
БЕСКОНКУРЕНТНОЕ ИНГИБИРОВАНИЕ
В этом случае ингибитор связывается не в контактном участке фермента (как при конку-рентном ингибировании), а только с фермент-субстратным комплексом. Поэтому повышение концентрации субстрата, увеличивая количество фермент-субстратного комплекса, усиливает и связывание ингибитора с ним. Максимальная скорость реакции уменьшается.
СМЕШАННОЕ ИНГИБИРОВАНИЕ
При таком ингибировании ингибитор способен присоединяться и к активному центру, и в других частях молекулы. Максимальная скорость реакции уменьшается.
ЭНЗИМОПАТОЛОГИИ
Энзимопатологии (энзимопатии) – состояния, связанные с патологическим изменением активности ферментов. Наиболее часто встречается снижение активности и нарушение каких-либо метаболических процессов. При энзимопатологии клиническое значение может иметь накопление субстрата реакции (как при фенилкетонурии) или недостаток продукта (при аль-бинизме) или обе особенности одновременно (гликогенозы). По характеру нарушения выде-ляют первичные и вторичные энзимопатии.
Первичные (наследственные) энзимопатии связаны с генетическим дефектом и наслед-ственным снижением активности. Например, фенилкетонурия связана с дефектом фенил-аланин-4-монооксигеназы, которая превращает фенилаланин в тирозин. В результате накап-ливаются аномальные метаболиты фенилаланина, оказывающие сильный токсический эффект (см "Обмен фенилаланина"). Заболевание подагра связано с дефектом ферментов метабо-лизма пуриновых оснований и накоплением мочевой кислоты.
Кроме указанных, примером первичных энзимопатий являются галактоземия, недоста-точность лактазы и сахаразы, гликогенозы, наследственные гипераммониемии, различные липидозы.
Вторичные (приобретенные) энзимопатии возникают как следствие заболеваний орга-нов, вирусных инфекций и т.п., что приводит к нарушению синтеза фермента или условий его работы, например, гипераммониемия при заболеваниях печени, при которых ухудшается синтез мочевины и в крови накапливается аммиак. Другим примером может служить недоста-точность ферментов желудочно-кишечного тракта при заболеваниях желудка, поджелудоч-ной железы или желчного пузыря. Недостаток витаминов и их коферментных форм также является причиной приобретенных ферментопатий.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФЕРМЕНТОВ И ИХ ИНГИБИТОРОВ В МЕДИЦИНЕ
Использование ферментов в медицине происходит по трем направлениям:
o энзимодиагностика,
o энзимотерапия,
o использование ферментов в медицинских технологиях и промышленности.
Также активно нашло применение использование ингибиторов ферментов.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 71
ЭНЗИМОДИАГНОСТИКА
Энзимодиагностика – это исследование активности ферментов плазмы крови, мочи, слюны с целью диагностики тех или иных заболеваний. Примером может служить фермент лактатдегидрогеназа, определение его активности в плазме крови необходимо при заболева-ниях сердца, печени, скелетной мускулатуры. Увеличение активности -амилазы в плазме крови и моче наблюдается при воспалительных процессах в поджелудочной и слюнных желе-зах. Инфаркт миокарда сопровождается увеличением активности лактатдегидрогеназы, кре-атинкиназы, аспартатаминотрансферазы в сыворотке крови из-за разрушения кардиомио-цитов и выхода их содержимого во внеклеточное пространство.
ЭНЗИМОТЕРАПИЯ
Энзимотерапия – это использование ферментов в качестве лекарственных средств.
Самыми распространенными ферментативными препаратами являются комплексы фер-ментов ЖКТ пепсина, химотрипссина, липазы, амилазы и других (Фестал, Панзинорм форте, Мезим форте, Энзистал и т.п.), используемые для заместительной терапии при нарушениях переваривания в желудочно-кишечном тракте.
Тканевой фермент гиалуронидаза используется организмом для обратимого изменения проницаемости межклеточного вещества. Лекарственную форму гиалуронидазы – лидазу – вводят для размягчения рубцов, появления подвижности в суставах, рассасывания гематом.
Цитохром с – фермент, участвующий в процессах тканевого дыхания. Его используют при асфиксии новорожденных, астматических состояниях, сердечной недостаточности, раз-личных видах гепатита и т.п.
Рибонуклеаза и дезоксирибонуклеаза входят в состав глазных капель и используются при вирусных конъюнктивитах. При нанесении на рану они разжижают гной, при ингаляциях уменьшают вязкость слизи, деполимеризуя нуклеиновые кислоты в мокроте.
Трипсин используют при бронхолегочных заболеваниях для разжижения густой и вяз-кой мокроты.
Урокиназа и стрептокиназа используются для проведения тканевого и системного фибринолиза, восстанавливают проходимость тромбированных кровеносных сосудов.
Фицин используется в фармацевтической промышленности в качестве добавки к зуб-ным пастам для удаления зубного налета.
Коллагеназу применяют для ускорения отторжения некротизированных тканей, для очистки трофических язв.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФЕРМЕНТОВ В МЕДИЦИНСКИХ ТЕХНОЛОГИЯХ
А. Специфичность ферментов к определенным субстратам широко используется в настоящее время в лабораторной диагностике.
o многие лабораторные методы основаны на взаимодействии добавляемого извне фер-мента с определяемым соединением. В результате возникает специфичный продукт реак-ции, после определения содержания последнего судят о концентрации искомого веще-ства (глюкозооксидазный, холестеролоксидазный методы),
o иммуноферментные методы, основанные на образовании тройного комплекса фермент-антиген-антитело. Определяемое вещество не является субстратом фермента, но является антигеном. Фермент может присоединять этот антиген вблизи от активного центра. Если в среде есть антиген, то при добавлении антител и формировании тройного комплекса активность фермента изменяется. Активность фермента измеряют любым способом.
Б. В промышленности ферменты используются в различных отраслях:
Ферменты 72
o глюкозооксидаза в сочетании с каталазой применяется для удаления кислорода из су-хого молока, кофе, пива, майонезов, лимонных, апельсиновых и виноградных соков, ле-карственных препаратов,
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНГИБИТОРОВ ФЕРМЕНТОВ
Весьма широко используются в настоящее время ингибиторы протеаз (контрикал, гор-докс) при панкреатитах – состояниях, когда происходит активирование пищеварительных ферментов в протоках и клетках поджелудочной железы.
Ингибиторы холинэстеразы (физостигмин, прозерин) приводят к накоплению нейро-медиатора ацетилхолина в синапсах и используются при миастении, двигательных и чувстви-тельных нарушениях при невритах, радикулитах, психогенной импотенции.
Препараты, содержащие ингибиторы моноаминоксидазы (наком, мадопар), использу-ются при снижении выработки нейромедиаторов катехоламинов в ЦНС и для лечения паркин-сонизма. Подавление активности моноаминооксидазы (разрушающей катехоламины) сохра-няет нормальную передачу сигналов в нервной системе.
Ингибиторы ангиотензинпревращающего фермента (каптоприл, эналаприл и т.п.) используются как антигипертензивное средство и вызывают расширение периферических со-судов, уменьшение нагрузки на миокард, снижение артериального давления.
Аллопуринол – ингибитор ксантиноксидазы, фермента катаболизма пуринов. Исполь-зуется для снижения образования мочевой кислоты и подавления развития гиперурикемии и подагры.
Ингибиторы гидроксиметилглутарил-SКоА-редуктазы (ловастатин, флувастатин, аторвастатин) применяются для снижения синтеза холестерола при атеросклерозе, заболева-ниях сердечно-сосудистой системы, дислипопротеинемиях.
Ингибитор карбоангидразы (ацетазоламид) используется как мочегонное средство при лечении глаукомы, отеков, эпилепсии, алкалозах и горной болезни.
КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ
В 1961 г в Москве V Международный биохимический союз принял современную клас-сификацию ферментов.
В соответствии с этой классификацией все ферменты делятся:
o на классы – по типу катализируемой реакции,
o каждый класс подразделяется на подклассы – по природе атакуемой химической группы,
o подклассы делятся на подподклассы – по характеру атакуемой связи или по природе ак-цептора.
Выделяют 6 классов ферментов:
I
II
III
IV
V
VI
класс
класс
класс
класс
класс
класс
Оксидоредуктазы
Трансферазы
Гидролазы
Лиазы
Изомеразы
Лигазы
Каждому ферменту присвоен четырехзначный клас-сификационный номер, включающий класс, подкласс, под-подкласс и порядковый номер в подподклассе.
Например, алкогольдегидрогеназа имеет номер КФ 1.1.1.1. – это оксидоредуктаза, действует на ОН-группу донора с НАД в качестве акцептора с первым порядковым номером в своем подподклассе; лактатдегидрогеназа – КФ
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 73
1.1.1.27, действует на ОН-группу донора с НАД в качестве акцептора с порядковым номером 27 в своем подподклассе
НОМЕНКЛАТУРА ФЕРМЕНТОВ
1. Тривиальное название – название, сложившееся исторически. Например, пепсин, трипсин. Для некоторых ферментов к названию субстрата добавляется окончание "-аза" – уре-аза, амилаза, липаза.
2. Систематическое название – согласно современной классификации. Как производное систематического названия у многих ферментов имеется одно или несколько рабочих назва-ний.
I КЛАСС. ОКСИДОРЕДУКТАЗЫ
Ферменты катализируют окислительно-восстановительные реакции, лежащие в основе биологического окисления. Класс насчитывает 22 подкласса. Коферментами этого класса яв-ляются НАД, НАДФ, ФАД, ФМН, убихинон, глутатион, липоевая кислота.
Примером подклассов могут служить ферменты, действующие на СН-ОН-группу доно-ров, на СН-СН-группу доноров, на СН-NН2-группу доноров, на гемсодержащие доноры. На подподклассы деление производится в зависимости от акцептора – НАД+ или НАДФ+, ди-сульфиды, кислород.
Наиболее распространены следующие рабочие названия оксидоредуктаз:
1. Дегидрогеназы – оксидоредуктазы, катализирующие дегидрирование субстрата с исполь-зованием в качестве акцептора водорода любых молекул, кроме кислорода.
2. Если перенос водорода от молекулы донора трудно доказуем, то такие оксидоредуктазы называют редуктазами.
3. Оксидазы – оксидоредуктазы, катализирующие окисление субстратов с молекулярным кис-лородом в качестве акцептора электронов без включения кислорода в молекулу субстрата.
4. Монооксигеназы – оксидоредуктазы, катализирующие внедрение одного атома кислорода в молекулу субстрата с молекулярным кислородом в качестве донора кислорода.
5. Диоксигеназы – оксидоредуктазы, катализирующие внедрение 2 атомов кислорода в моле-кулу субстрата с молекулярным кислородом в качестве донора кислорода.
6. Пероксидазы – оксидоредуктазы, катализирующие реакции с пероксидом водорода в каче-стве акцептора электронов.
Систематическое название образуется:
Донор электронов : акцептор электронов – оксидоредуктаза.
Пример 1
Характеристика фермента
Систематическое название
Алкоголь:НАД-оксидоредуктаза
Рабочее название
Алкогольдегидрогеназа
Класс
1. Оксидоредуктазы
Кофакторы
Никотинамидадениндинуклеотид. Железо или цинк.
Ферменты 74
Пример 2
Характеристика фермента
Систематическое название
Сукцинат:ФАД-оксидоредуктаза
Рабочее название
Сукцинатдегидрогеназа
Класс
1. Оксидоредуктазы
Кофактор
Флавинадениндинуклеотид
Пример 3
Характеристика фермента
Систематическое название
Фенилаланин.Тетрагидробиоптерин:кислород-оксидо-редуктаза
Рабочее название
Фенилаланин-4-монооксигеназа
Класс
1. Оксидоредуктазы
Кофакторы
Тетрагидробиоптерин. Железо.
II КЛАСС. ТРАНСФЕРАЗЫ
Катализируют реакции переноса различных групп от одного субстрата (донор) к другому (акцептор), участвуют в реакциях взаимопревращения различных веществ, обезвреживания природных и чужеродных соединений. Коферментами являются пиридоксальфосфат, коэн-зим А, тетрагидрофолиевая кислота, метилкобаламин. Класс подразделяется на 9 подклас-сов.
В подклассы выделяются группы ферментов в зависимости от состава переносимой группы (одноуглеродные фрагменты, альдегидные и кетогруппы, азотсодержащие группы, фосфорсодержащие). На подподклассы деление производится в зависимости от вида перено-симой группы – метил, карбоксиметил или формил, аминогруппы.
Распространенным рабочим названием трансфераз является термин киназы. К ним относят ферменты, переносящие фосфатную группу от АТФ к какому-либо субстрату (моносахарид, белок).
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 75
Систематическое название образуется:
Донор группы : акцептор группы – переносимая группа трансфераза.
Пример 1
Характеристика фермента
Систематическое название
АТФ:D-гексоза-6-фосфотрансфераза
Рабочее название
Гексокиназа
Класс
2. Трансферазы
Кофактор
Магний
Пример 2
Характеристика фермента
Систематическое название
L-Аспартат:2-оксоглутарат-аминотрансфераза
Рабочее название
Аспартатаминотрансфераза
Класс
2. Трансферазы
Кофактор
Пиридоксальфосфат
Пример 3
Характеристика фермента
Систематическое название
5-метилтетрагидрофолат:L-гомоцистеин S-метилтрансфераза
Рабочее название
Метионинсинтаза
Класс
2. Трансферазы
Кофактор
Кобаламин. Цинк.
III КЛАСС. ГИДРОЛАЗЫ
Гидролазы – ферменты, осуществляющие разрыв внутримолекулярных связей в суб-страте путем присоединения элементов Н2О, подразделяются на 13 подклассов. Коферменты отсутствуют. Ввиду сложности многих субстратов у ряда ферментов сохранены тривиальные названия, например, пепсин, трипсин. Исторически названия гидролаз складывались из назва-ния субстрата с окончанием "-аза" – коллагеназа, амилаза, липаза, нуклеаза, ДНК-аза.
Ферменты 76
Примером подклассов служат группы ферментов, действующие на сложные эфиры, на простые эфиры, на пептиды, на углерод-углеродные связи.
Гидролазы представлены ферментами желудочно-кишечного тракта (пепсин, трипсин, липаза, амилаза и другие) и лизосомальными ферментами. Осуществляют распад макромоле-кул, образуя легко адсорбируемые мономеры.
Наиболее часто встречаются следующие рабочие названия гидролаз:
1. Эстеразы – гидролиз сложноэфирных связей.
2. Липазы – гидролиз нейтральных жиров.
3. Фосфатазы – отщепление фосфатов от фосфорилированных соединений.
4. Гликозидазы – гидролизуют О- и S-гликозидные связи.
5. Протеазы, пептидазы – гидролиз белков и пептидов.
6. Нуклеазы – гидролиз нуклеиновых кислот.
В подклассы выделяют группы ферментов, катализирующие гидролиз, например, слож-ных эфиров, пептидов, углерод-углеродных связей, связей фосфор-азот и т.п. Среди подпод-классов выделяют, например, гидролазы карбоновых кислот, гидролазы фосфомоноэфиров.
Систематическое название образуется:
Гидролизуемый субстрат : отделяемая группа гидролаза.
Пример 1
Характеристика фермента
Систематическое название
Триацилглицерол:ацилгидролаза
Рабочее название
ТАГ-липаза
Класс
3. Гидролазы
Пример 2
Характеристика фермента
Систематическое название
-D-глюкозид:глюкогидролаза
Рабочее название
Мальтаза
Класс
3. Гидролазы
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 77
Пример 3
Характеристика фермента
Систематическое название
Ацетилхолин:ацетил-гидролаза
Рабочее название
Ацетилхолин эстераза
Класс
3. Гидролазы
IV КЛАСС. ЛИАЗЫ
Лиазы – ферменты, катализирующие разрыв С-О, С-С, C-N и других связей, а также об-ратимые реакции отщепления различных групп негидролитическим путем. Выделяют 7 под-классов. Эти реакции сопровождаются образованием двойной связи или присоединением групп к месту двойной связи. Лиазы являются сложными ферментами. Коферментами служат пиридоксальфосфат, тиаминдифосфат, участвует магний, кобальт.
Примером подклассов являются ферменты, например, действующие на углерод-угле-родные связи, углерод-кислородные связи, углерод-азотные связи. Среди подподклассов вы-деляют карбокси-лиазы, гидро-лиазы.
Систематическое название образуется:
Расщепляемый субстрат : отделяемая группа – лиаза
Пример 1
Характеристика фермента
Систематическое название
2-оксокислота:карбокси-лиаза
Рабочее название
Пируватдекарбоксилаза
Класс
4. Лиазы
Кофермент
Тиаминдифосфат
Пример 2
Характеристика фермента
Систематическое название
Гистидин:карбокси-лиаза
Рабочее название
Гистидин-декарбоксилаза
Класс
4. Лиазы
Кофермент
Пиридоксальфосфат
Ферменты 78
Пример 3
Характеристика фермента
Систематическое название
АТФ:дифосфат-лиаза (циклизующая)
Рабочее название
Аденилатциклаза
Класс
4. Лиазы
V КЛАСС. ИЗОМЕРАЗЫ
Изомеразы – ферменты, катализирующие изомерные превращения в пределах одной мо-лекулы. Изомеразы – сложные ферменты. К их коферментам относятся пиридоксальфосфат, дезоксиаденозилкобаламин, глутатион, фосфаты моносахаридов (глюкозо-1,6-дифосфат) и др.
Подклассы выделяют в зависимости от типа реакции. Например, выделяют рацемазы (обратимое превращение L- и D-стереоизомеров) и эпимеразы (превращения D,L-изомеров, имеющих более одного центра асимметрии, например, -D-глюкозу в -D-глюкозу), другие подклассы – цис-транс-изомеразы, внутримолекулярные трансферазы (мутазы), внутримоле-кулярные оксидоредуктазы. Среди подподклассов выделяют действующие на аминокислоты и их производные, на углеводы и их производные, перемещающие С=С-связи.
Систематическое название образуется:
Субстрат – [ ] – реакция, где [ ] – обозначение, отражающее суть реакции, например, "но-мер изменяемого атома углерода", изменение "цис-транс", изменение "кето-енол", изменение "альдозо-кетозо".
Пример 1
Характеристика фермента
Систематическое название
D-рибулозо-5-фосфат-3-эпимераза
Рабочее название
Рибулозофосфат-3-эпимераза
Класс
5. Изомеразы
Пример 2
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 79
Характеристика фермента
Систематическое название
D-глицеральдегид-3-фосфат-альдозо-кетозо-изомераза
Рабочее название
Триозофосфат-изомераза
Класс
5. Изомеразы
Пример 3
Характеристика фермента
Систематическое название
-D-глюкозо-1,6-фосфомутаза
Рабочее название
Фосфоглюкомутаза
Класс
5. Изомеразы
VI КЛАСС. ЛИГАЗЫ
Лигазы (синтетазы) – ферменты, катализирующие присоединение друг к другу двух мо-лекул с использованием энергии высокоэнергетических связей АТФ (или других макроэргов). Лигазы – сложные ферменты. Они содержат нуклеотидные (УТФ), биотиновые (витамин Н), фолиевые коферменты. Выделяют 6 подклассов.
Примером подклассов служат группы ферментов по виду образуемой связи: углерод-кислород, углерод-сера, углерод-азот, углерод-углерод. Среди подподклассов выделяют фер-менты, синтезирующие соединения типа кислота-тиол, амиды.
а. Систематическое название образуется:
Субстрат 1 : субстрат 2 – лигаза
Пример 1
Характеристика фермента
Систематическое название
L-глутамат:аммиак-лигаза
Рабочее название
Глутаминсинтетаза
Класс
6. Лигазы
Пример 2
Характеристика фермента
Систематическое название
Пируват:карбокси-лигаза (АДФ-образующая)
Рабочее название
Пируваткарбоксилаза
Кофакторы
Биотин. Магний. Цинк.
Ферменты 80
Пример 3
Характеристика фермента
Систематическое название
Сукцинат:КоА-лигаза
Рабочее название
Сукцинил-КоА-синтетаза
Сукцинат-тиокиназа
Класс
6. Лигазы
ОБЩИЕ ПУТИ БИОЛОГИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ
Метаболизм представляет собой высоко координированную и целенаправленную кле-точную активность, обеспеченную участием многих взаимосвязанных ферментативных си-стем.
Он выполняет три специализированные функции:
1. Энергетическая – снабжение клетки химической энергией,
2. Пластическая – синтез макромолекул как строительных блоков,
3. Специфическая – синтез и распад биомолекул, необходимых для выполнения специ-фических клеточных функций.
АНАБОЛИЗМ
Анаболизм – это биосинтез белков, полисахаридов, ли-пидов, нуклеиновых кислот и других макромолекул из малых молекул-предшественников. Поскольку он сопровождается усложнением структуры, то требует затрат энергии. Источни-ком такой энергии является энергия АТФ.
Также для биосинтеза некоторых веществ (жирные кис-лоты, холестерол) требуются богатые энергией атомы водо-рода – их источником является НАДФН. Молекулы НАДФН образуются в реакциях окисления глюкозо-6-фосфата ( см "Пентозофосфатный путь окисления глюкозы") и оксалоацетата (см "Биосинтез жирных кис-лот"). В реакциях анаболизма НАДФН передает свои атомы водорода на синтетические реак-ции и окисляется до НАДФ. Так формируется НАДФ-НАДФН-цикл.
КАТАБОЛИЗМ
Катаболизм – расщепление и окисление сложных органических молекул до более про-стых конечных продуктов. Оно сопровождается высвобождением энергии, заключенной в сложной структуре веществ. Большая часть высвобожденной энергии рассеивается в виде тепла. Меньшая часть этой энергии "перехватывается" коферментами окислительных реакций НАД и ФАД, некоторая часть сразу используется для синтеза АТФ.
Следует заметить, что атомы водорода, высвобождаемые в реакциях окисления ве-ществ, могут использоваться клеткой только по двум направлениям:
1) на анаболические реакции в составе НАДФН.
2) на образование АТФ в составе НАДН и ФАДН2 в дыхательной цепи митохондрий (см ниже).
Весь катаболизм подразделяется на три этапа:
I этап
Происходит в кишечнике (переваривание пищи) или в лизосомах при расщеплении уже ненужных молекул. При этом освобождается около 1% энергии, заключенной в молекуле. Она рассеивается в виде тепла.
Общие пути биологического окисления 82
II этап
Вещества, образованные при внутриклеточном гидролизе или проникающие в клетку из крови, обычно превращаются в пировиноградную кислоту, ацетильную группу (в составе ацетил-SКоА), и в некоторые другие мелкие органические мо-лекулы. Локализация второго этапа – цитозоль и митохон-дрии.
Часть энергии рассеива-ется в виде тепла и примерно 13% энергии вещества усваива-ется, т.е. запасается в виде мак-роэргических связей АТФ.
III этап
Все реакции этого этапа идут в митохондриях. Ацетил-SКоА включается в реакции цикла трикарбоновых кислот и окисляется до углекислого газа. Выделенные атомы водо-рода соединяются с НАД и ФАД и восстанавливают их. После этого НАДН и ФАДН2 перено-сят водород в цепь дыхательных ферментов, расположенную на внутренней мембране ми-тохондрий. Здесь в результате процесса под названием "окислительное фосфорилирование" образуется вода и главный продукт биологического окисления – АТФ.
Часть выделенной на этом этапе энергии молекулы рассеивается в виде тепла и около 46% энергии исходного вещества усваивается, т.е. запасается в связях АТФ и ГТФ.
На втором этапе выделяется около 30% энергии, заключенной в молекуле. При этом запасается около 13% от всей энергии вещества (или примерно 43% от выде-ленной на этом этапе энергии).
В третьем этапе выделяется до 70% всей энергии вещества. Из этого количества усваивается почти две трети (66%), что составляет около 46% от общей.
Таким образом, из 100% молекулярной энергии клетка запасает больше половины – 59%. Ни один современный двигатель не имеет такого высокого КПД!
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 83
Энергия, высвобождаемая в реакциях катаболизма, запасается в виде связей, называемых макроэргическими. Основной и универсальной молекулой, запасающей энергию, является АТФ.
Все молекулы АТФ в организме непрерывно участвуют в каких-либо реакциях, посто-янно расщепляются до АДФ и вновь регенерируют. Существует три основных способа исполь-зования АТФ, которые вкупе с процессом образования АТФ получили название АТФ-цикл.
ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ
В клетке существуют четыре основных процесса, обеспечивающих высвобождение энер-гии из химических связей при окислении веществ и ее запасание:
1. Гликолиз (2 этап) – окисление молекулы глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты, при этом образуется 2 молекулы АТФ и НАДН. Далее пировиноградная кислота в аэробных условиях превращается в ацетил-SКоА, в анаэробных условиях – в молочную кис-лоту.
2. -Окисление жирных кислот (2 этап) – окисление жирных кислот до ацетил-SКоА, здесь образуются молекулы НАДН и ФАДН2. Молекул АТФ "в чистом виде" не образуется.
3. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, 3 этап) – окисление ацетильной группы (в со-ставе ацетил-SКоА) или иных кетокислот до углекислого газа. Реакции полного цикла сопро-вождаются образованием 1 молекулы ГТФ (что эквивалентно одной АТФ), 3 молекул НАДН и 1 молекулы ФАДН2.
4. Окислительное фосфорилирование (3 этап) – окисляются НАДН и ФАДН2, полу-ченные в реакциях катаболизма глюкозы и жирных кислот. При этом ферменты внутренней мембраны митохондрий обеспечивают образование основного количества клеточного АТФ из АДФ (фосфорилирование).
Основным способом получения АТФ в клетке является окислительное фосфорилирова-ние. Однако также есть другой способ фосфорилирования АДФ до АТФ – субстратное фос-форилирование. Этот способ связан с передачей макроэргического фосфата или энергии мак-роэргической связи какого-либо вещества (субстрата) на АДФ. К таким веществам относятся метаболиты гликолиза (1,3-дифосфоглицериновая кислота, фосфоенолпируват), цикла
Общие пути биологического окисления 84
трикарбоновых кислот (сукцинил-SКоА) и креатинфосфат. Энергия гидролиза их макроэр-гической связи выше, чем в АТФ (7,3 ккал/моль), и роль этих веществ сводится к использова-нию для фосфорилирования АДФ.
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПИРОВИНОГРАДНОЙ КИСЛОТЫ
Пировиноградная кислота (ПВК, пируват) яв-ляется продуктом окисления глюкозы и некоторых аминокислот. Ее судьба различна в зависимости от доступности кислорода в клетке. В анаэробных усло-виях она восстанавливается до молочной кислоты. В аэробных условиях происходит ее окислительное декарбоксилирование до уксусной кислоты, пере-носчиком которой служит коэнзим А.
Суммарное уравнение реакции отражает декар-боксилирование пирувата, восстановление НАД до НАДН и образование ацетил-SKoA.
Превращение состоит из пяти последовательных реакций, осуществляется мультифер-ментным комплексом, прикрепленным к внутренней митохондриальной мембране со стороны матрикса. В составе комплекса насчитывают 3 фермента и 5 коферментов:
Пируватдегидрогеназа (Е1, ПВК-дегидрогеназа), ее коферментом является тиамин-дифосфат, катализирует 1-ю реакцию.
Дигидролипоат-ацетилтрансфераза (Е2), ее коферментом является липоевая кислота, катализирует 2-ю и 3-ю реакции.
Дигидролипоат-дегидрогеназа (Е3), кофермент – ФАД, катализирует 4-ю и 5-ю реак-ции.
Помимо указанных коферментов, которые прочно связаны с соответствующими фер-ментами, в работе комплекса принимают участие коэнзим А и НАД.
Суть первых трех реакций сводится к декарбоксилированию пирувата (катализируется пируватдегидрогеназой, Е1), окислению пирувата до ацетила и переносу ацетила на коэнзим А (катализируется дигидролипоат-ацетилтрансферазой, Е2).
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 85
Оставшиеся 2 реакции необходимы для возвращения липоевой кислоты и ФАД в окис-ленное состояние (катализируются дигидролипоат-дегидрогеназой, Е3). При этом образуется НАДН.
РЕГУЛЯЦИЯ ПИРУВАТДЕГИДРОГЕНАЗНОГО КОМПЛЕКСА
В пируватдегидрогеназном комплексе имеются еще 2 вспомогательных фермента – ки-наза и фосфатаза, участвующие регуляции активности пируватдегидрогеназы (Е1) путем фос-форилирования и дефосфорилирования.
Киназа активируется при избытке АТФ и продуктов реакции – НАДН и ацетил-SКоА. При этом она фосфорилирует пируватдегидрогеназу, инактивируя ее.
Общие пути биологического окисления 86
Фосфатаза, активируясь ионами кальция или инсулином, отщепляет фосфат и активи-рует пируватдегидрогеназу.
Таким образом, в состоянии покоя при достаточном количестве АТФ пируватдегидроге-наза неактивна, окисление глюкозы прекращается, и она может использоваться на какие-либо синтетические процессы. Как только клетка начинает работать, уровень АТФ и НАДН резко снижается, киназная реакция останавливается, и в результате дефосфорилирования фермент активируется – начинается окисление глюкозы.
В головном мозге доля пирувата, поступающая на ПВК-дегидрогеназу, составляет 80-90%, в отличие от печени, где эта доля соответствует 15-20%. В печени ПВК в основном используется для синтеза оксалоацетата. Этим объясняется высокая чув-ствительность нервной ткани к дефициту тиамина.
ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
Образующийся в ПВК-дегидрогеназной реакции ацетил-SКоА далее вступает в цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, цикл лимонной кислоты, цикл Кребса).
В первой реакции цикла связываются ацетил и оксалоацетат (щавелевоуксусная кис-лота) с образованием цитрата (лимонной кислоты), далее происходит изомеризация лимон-ной кислоты до изоцитрата и две реакции дегидрирования с выделением СО2 и восстанов-лением НАД. В пятой реакции образуется ГТФ, это реакция субстратного фосфорилирова-ния. Последние три реакции представляет собой дегидрирование, гидратацию и новое де-гидрирование субстратов.
В итоге после восьми реакций цикла вновь образуется оксалоацетат.
Функции ЦТК:
1. Энергетическая – заключается в синтезе одной молекулы ГТФ (эквивалентна АТФ) и в генерации атомов водорода для работы дыхательной цепи (см ниже), а именно трех моле-кул НАДН и одной молекулы ФАДН2;
2. Анаболическая – в ЦТК образуется
o предшественник гема – сукцинил-SКоА,
o кетокислоты, способные превращаться в аминокислоты – -кетоглутарат для глутами-новой кислоты, оксалоацетат для аспарагиновой,
o лимонная кислота, используемая для синтеза жирных кислот (при определенных усло-виях),
o оксалоацетат, используемый для синтеза глюкозы (при определенных условиях).
Цикл Кребса протекает в матриксе митохондрий и включает 8 реакций. Он представляет собой последовательные реакции связывания ацетила и щавелевоуксусной кислоты (оксало-ацетата) с образованием лимонной кислоты, ее изомеризации и последующие реакции окис-ления с сопутствующим выделением СО2. После восьми реакций цикла вновь образуется ок-салоацетат.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 87
РЕГУЛЯЦИЯ ЦТК
1. Главным и основным регулятором ЦТК является оксалоацетат, а точнее его доступ-ность. Наличие оксалоацетата вовлекает в ЦТК ацетил-SКоА и запускает процесс.
Обычно в клетке имеется баланс между образованием ацетил-SКоА (из глюкозы, жир-ных кислот или аминокислот) и количеством оксалоацетата. Источником оксалоацетата явля-ется синтез из пирувата (анаплеротическая или пополняющая реакция), поступление из фруктовых кислот самого ЦТК (яблочной, лимонной), образование из аспарагиновой кислоты.
Общие пути биологического окисления 88
Понимание такого способа регуляции позволяет понять причину синтеза кетоновых тел и кетоацидоза при декомпенсации сахарного диабета I типа и при голодании. При указанных нарушениях в печени активирован процесс глюконеогенеза, т.е. образования глюкозы из ок-салоацетата и других метаболитов, что влечет за собой снижение количества оксалоацетата. Одновременная активация окисления жирных кислот и накопление ацетил-SКоА запускает резервный путь утилизации ацетильной группы – синтез кетоновых тел. В организме при этом развивается закисление крови (кетоацидоз) с характерной клинической картиной: слабость,
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 89
головная боль, сонливость, снижение мышечного тонуса, температуры тела и артериального давления.
2. Также некоторые ферменты ЦТК являются чувствительными к аллостерической ре-гуляции метаболитами.
Ингибиторы
Активаторы
Цитратсинтаза
АТФ, НАДН, ацил-SКоА, цитрат
Изоцитрат-дегидрогеназа
АТФ, НАДН
АМФ, АДФ
-Кетоглутарат-дегидрогеназа
Сукцинил-SКоА, АТФ, НАДН
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
Окислительное фосфорилирование – основная часть биологического окисления или тка-невого дыхания, т.е. процессов, идущих в организме с участием кислорода.
КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Окислительное фосфорилирование – это многоэтапный процесс, происходящий во внут-ренней мембране митохондрий и заключающийся в окислении восстановленных эквивалентов (НАДН и ФАДН2) и сопровождающийся синтезом АТФ.
Впервые механизм окислительного фосфорилирования был предложен Питером Мит-челлом в 1961г. Согласно этой гипотезе перенос электронов, происходящий на внутренней митохондриальной мембране, вызывает выкачивание ионов Н+ из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. Это создает градиент концентрации ионов Н+ между цитозо-лем и замкнутым внутримитохондриальным пространством. Ионы водорода в норме способны возвращаться в матрикс митохондрий только одним способом – через специальный фермент, образующий АТФ – АТФ-синтазу.
Внутренняя митохондриальная мембрана содержит ряд мультиферментных комплексов, включающих множество ферментов. Эти ферменты называют дыхательными ферментами, а последовательность их расположения в мембране – дыхательной цепью.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ
В целом работа дыхательной цепи заключается в следующем:
1. Образующиеся в реакциях катаболизма НАДН и ФАДН2 передают атомы водорода (т.е. протоны водорода и электроны) на ферменты дыхательной цепи.
2. Электроны движутся по дыхательной цепи и теряют энергию.
3. Эта энергия используется на выкачивание протонов Н+ из матрикса в межмембранное про-странство.
4. В конце дыхательной цепи электроны попадают на кислород и восстанавливают его до воды.
5. Протоны Н+ стремятся обратно в матрикс и проходят через АТФ-синтазу.
6. При этом они теряют энергию, которая используется для синтеза АТФ.
Общие пути биологического окисления 90
ФЕРМЕНТНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ
Всего цепь переноса электронов включает в себя около 40 разнообразных белков. Все они организованы в 4 больших мембраносвязанных мульферментных комплекса.
I КОМПЛЕКС, НАДН-KOQ-ОКСИДОРЕДУКТАЗА
I комплекс носит общее название НАДН-дегидрогеназа, содержит ФМН, белковые мо-лекулы, из них 6 железосерных белков.
Функция
1. Принимает электроны от НАДН и передает их на коэнзим Q (убихинон).
2. Переносит 4 иона Н+ на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.
Железосерные белки (FeS-белки) – это белки содержащие атомы железа, связанные с атомами серы. Атомы железа соединены с атомами серы и с серой остатков ци-стеина, образуя железо-серный центр.
II КОМПЛЕКС
II комплекс – как таковой не существует, его выделение условно, он включает в себя ФАД-зависимые ферменты, расположенные на внутренней мембране – например, ацил-SКоА-дегидрогеназа (окисление жирных кислот), сукцинатдегидрогеназа (цикл трикарбоно-вых кислот), митохондриальная глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа (челночный механизм пе-реноса атомов водорода).
Функция
1. Восстановление ФАД в окислительно-восстановительных реакциях.
2. Обеспечение передачи электронов от ФАДН2 на железосерные белки внутренней мембраны митохондрий. Далее эти электроны попадают на коэнзим Q.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 91
III КОМПЛЕКС. КОQ-ЦИТОХРОМ С – ОКСИДОРЕДУКТАЗА
III комплекс – комплекс цитохромов b-c1, кроме цитохромов в нем имеются 2 железо-серных белка.
Функция
1. Принимает электроны от коэнзима Q и передает их на цитохром с.
2. Переносит 2 иона Н+ на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.
IV КОМПЛЕКС, ЦИТОХРОМ С – КИСЛОРОД-ОКСИДОРЕДУКТАЗА
IV комплекс – цитохромы аа3 или цитохромоксидаза, содержит 2 иона меди.
Функция
1. Принимает электроны от цитохрома с и передает их на кислород с образованием воды.
2. Переносит 4 иона Н+ на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.
V КОМПЛЕКС
V комплекс – это фермент АТФ-синтаза, состоящий из множества белковых цепей, под-разделенных на две большие группы: Одна группа формирует субъединицу Fо (произносится со звуком "о", а не "ноль" т.к олигомицин-чувствительная) – ее функция каналообразующая, по ней выкачанные наружу протоны водорода устремляются в матрикс. Другая группа обра-зует субъединицу F1 – ее функция каталитическая, именно она, используя энергию протонов, синтезирует АТФ.
Для синтеза 1 молекулы АТФ необходимо прохождение приблизительно 3-х ионов Н+, еще один протон требуется для переноса через мембрану неорганического фосфата, АТФ и АДФ. Таким образом, для получения АТФ из АДФ в целом требуется 4 иона H+.
РАБОТА КОМПЛЕКСОВ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ
На основании вышеизложенного построена схема окислительного фосфорилирова-ния:
1. Ферменты дыхательной цепи расположены в строго определенной последователь-ности: каждый последующий белок обладает большим сродством к электронам, чем преды-дущий (он более электроположителен, т.е. обладает более положительным окислительно-вос-становительным потенциалом). Это обеспечивает однонаправленное движение электронов.
Способность окислительно-восстановительной пары обратимо отдавать электрон выражают окислительно-восстановительным потенциалом Е0'. В биохимии при-нято пользоваться понятием восстановительный потенциал. Чем более отрица-тельной величиной выражается восстановительный потенциал системы, тем выше ее способность отдавать электроны. При сравнении восстановительного потенци-ала пары НАДН / НАД = -0,32 В и пары Н2О / 1/2О2 = +0,82 В видно, что электроны будут переходить к воде. В действительности между названными донором и акцеп-тором электронов имеется много промежуточных соединений.
2. Все атомы водорода, отщепленные дегидрогеназами от субстратов в аэробных усло-виях, достигают внутренней мембраны митохондрий в составе НАДН или ФАДН2.
3. Здесь атомы водорода (от НАДН и ФАДН2) передают свои электроны в дыхательную ферментативную цепь, по которой электроны движутся (50-200 шт/сек) к своему конечному акцептору – кислороду. В результате образуется вода.
4. Поступающие в дыхательную цепь электроны богаты свободной энергией. По мере их продвижения по цепи они теряют энергию. Эта энергия используется I, III, IV комплексами дыхательных ферментов для перемещения ионов водорода через мембрану в межмембранное пространство.
Общие пути биологического окисления 92
Как известно из физики, энергией называется способность тела совершать работу. При перемещении электрического заряда энергия электронов убывает и частично превращается в теплоту.
Другая часть энергии затрачивается на выкачивание водорода из матрикса в межмембранное пространство и создание градиента.
5. Перенос ионов водорода через мембрану (выкачивание) происходит не случайно, а в строго определенных участках мембраны. Эти участки называются участки сопряжения (или, не совсем точно, пункты фосфорилирования). Они представлены I, III, IV комплексами дыхательных ферментов. В результате работы этих комплексов формируется градиент ионов водорода между внутренней и наружной поверхностями внутренней митохондриальной мем-браны. Такой градиент обладает потенциальной энергией.
Градиент получил название электрохимический или протонный градиент (, "дельта мю"). Он имеет две составляющие – электрическую (, "дельта пси") и концентрацион-ную (рН):
= + рН
6. Протоны теряют свою энергию, проходя через АТФ-синтазу. Часть этой энергии тра-тится на синтез АТФ.
Так же как в случае с электронами, энергия ионов водорода (протонного градиента) не расходуется попусту. Двигаясь по электрохимическому градиенту, ионы водорода выделяют энергию, часть которой используется на синтез АТФ.
РЕГУЛЯЦИЯ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ
Работа дыхательных ферментов регулируется с помощью эффекта, который получил название дыхательный контроль.
Дыхательный контроль – это прямое ингибирующее влияние электрохимического градиента на скорость движения электронов по дыхательной цепи (величину дыхания). В
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 93
свою очередь, величина градиента напрямую зависит от соотношения АТФ и АДФ, количе-ственная сумма которых в клетке постоянна ([АТФ] + [АДФ] = const).
Возрастание протонного градиента возникает при исчерпании запасов АДФ и накопле-нии АТФ, т.е. когда АТФ-синтаза лишена своего субстрата и ионы Н+ не проникают в матрикс митохондрии. При этом ингибирующее влияние градиента усиливается и продвижение элек-тронов по цепи замедляется. Ферментные комплексы остаются в восстановленном состоянии. Следствием является уменьшение окисления НАДН и ФАДН2 на I и II комплексах и замедле-ние катаболизма в клетке.
Снижение протонного градиента возникает, например, при интенсивной работе мышеч-ной или иной клетки, когда количество АТФ в ней начинает уменьшаться. В этом случае АТФ-синтаза начинает работать, ионы Н+ через нее устремляются в матрикс, и величина элек-трохимического градиента снижается. В результате повышается выкачивание ионов Н+ фер-ментами дыхательной цепи в межмембранное пространство. Ферментные комплексы I и II усиливают окисление НАДН и ФАДН2 (как источников электронов) и снимается ингибирую-щее влияние НАДН на цикл лимонной кислоты и пируватдегидрогеназный комплекс – акти-вируются реакции катаболизма углеводов и жиров.
Таким образом, количество АТФ остается на постоянном уровне.
РАЗОБЩИТЕЛИ
Разобщители – это вещества, которые снижают величину электрохимического гради-ента, что приводит к увеличению скорости движения электронов по ферментам дыхательной цепи. В результате этого уменьшается синтез АТФ и возрастает катаболизм.
Так как электрохимический градиент состоит из двух компонентов (электрического и химического), то существуют два принципиальных способа его уменьшить – нивелировать разность зарядов или разность концентрации ионов водорода.
К разобщителям в первую очередь относят "протонофоры" – ве-щества, перемещающие ионы водорода из межмембранного простран-ства в матрикс митохондрии. При этом уменьшаются оба компонента электрохимического градиента (pH и заряд), и энергия градиента не ис-пользуется для синтеза АТФ, а рассеивается в виде тепла. Классиче-ским протонофором является динитрофенол, жирорастворимое соеди-нение, присоединяющие ионы водорода на внешней поверхности внут-ренней митохондриальной мембраны и отдающие их на внутренней поверхности. Протонофоры одновременно снижают электрическую и химическую составля-ющую протонного градиента, энергия которого рассеивается в виде тепла.
Физиологическим протонофором является белок "термогенин", в изобилии имею-щийся в клетках бурой жировой ткани (до 15% от всех белков митохондрий). Существенным
Общие пути биологического окисления 94
отличием бурой жировой ткани от белой является большое количество митохондрий, которые придают клеткам буро-красный цвет. При охлаждении организма эти клетки получают сиг-налы по симпатическим нервам, и в них активируется расщепление жира – липолиз. Окисле-ние жиров приводит к получению НАДН и ФАДН2, активизации работы дыхательной цепи и возрастанию электрохимического градиента. Однако АТФ-синтазы в мембранах митохондрий этих клеток мало, зато много термогенина. Благодаря ему, большая часть энергии ионов во-дорода рассеивается в виде тепла, обеспечивая поддержание температуры тела при охлажде-нии.
Бурая жировая ткань широко представлена в верхней части спины у животных, впа-дающих в зимний сон (медведи), у детенышей животных и человеческих младен-цев. Отдельные скопления бурых жировых клеток есть и у взрослого человека, они расположены в верхней части спины, между лопаток, под мышками, по ходу круп-ных кровеносных сосудов.
Кроме динитрофенола и термогенина протонофорами, к примеру, являются сали-цилаты, жирные кислоты и трийодтиронин.
ИНГИБИТОРЫ ФЕРМЕНТОВ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ
Ряд веществ может ингибировать ферменты дыхательной цепи и блокировать движение электронов от НАДН и ФАДН2 на кислород.
Выделяют три основных группы ингибиторов:
o действующие на I комплекс, например, амитал (успокаивающее и снотворное средство), ротенон (пестицид широкого спектра),
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 95
o действующие на III комплекс, например, антимицин А (антигрибковый пестицид),
o действующие на IV комплекс, например, сероводород (H2S), угарный газ (СО), циа-ниды (-CN).
КОЭФФИЦИЕНТ Р/О
Энергетическую ценность и выгодность окисления вещества можно подсчитать. Коли-чество запасенной энергии при окислении того или иного соединения характеризует количе-ство АТФ, а эффективность использования энергии вещества и ее захвата – коэффициент P/O.
Коэффициент Р/О – это отношение количества неорганического фосфата, включенного в молекулу АТФ АТФ-синтазой к количеству атомов кислорода, включенного в молекулу Н2О, при переносе одной пары электронов по дыхательной цепи.
В настоящее время имеется две точки зрения на эффективность окисления веществ. По первой версии, в реакциях с участием НАД-зависимых дегидрогеназ соотношение P/O соот-ветствует 3,0, по более современным данным этот коэффициент для НАДН равен 2,5. Ана-логично для ФАД-зависимых дегидрогеназ коэффициент P/O либо принимается 2,0, либо по современным данным равен 1,5.
Для расчета Р/О при окислении какой-либо молекулы необходимо знать:
o восстановленный эквивалент (молекула НАДН или ФАДН2) передает в цепь переноса электронов по 2 электрона.
o для восстановления кислорода в воду необходима 1 пара электронов,
o при прохождении пары электронов через всю дыхательную цепь (т.е. через I, III, IV ком-плексы) выкачивается столько ионов Н+, сколько необходимо для синтеза 2,5 молей АТФ.
o при прохождении пары электронов только через III и IV комплексы дыхательных фер-ментов ионов Н+ выкачивается столько, сколько необходимо для синтеза 1,5 молей АТФ.
Далее при расчетах энергетической ценности окисления веществ будет использоваться величина P/O для НАДН равная 2,5, для ФАДН2 равная 1,5.
ГИПОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ
Причинами гипоэнергетических состояний может быть следующее:
o гиповитаминозы экзогенные и/или эндогенные – снижается скорость и эффективность окислительных реакций. Возникает обычно при нехватке витаминов группы В – В1, В2, никотиновой кислоты, В6, пантотеновой кислоты и аскорбиновой кислоты.
o дефицит белка в пище – снижается синтез всех ферментов и ферментов катаболизма, в частности.
o снижение потребления углеводов и липидов как основных источников энергии.
o дефицит кислорода – отсутствие акцептора для электронов вызывает "переполнение" дыхательных ферментов, накопление НАДН и ФАДН2 в клетке и прекращение катабо-лизма.
o дефицит железа – компонента цитохромов, миоглобина и гемоглобина, и меди – компо-нента цитохромоксидазы.
Общие пути биологического окисления 96
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АТФ И ЕГО ПРЕДШЕСТВЕННИКОВ В МЕДИЦИНЕ
1. Внутримышечные инъекции раствора АТФ используют при мышечной дистрофии и атрофии, спазме периферических сосудов (болезнь Рейно, облитерирующий тромбоангиит), для стимулирования родовой деятельности.
2. Фосфаден – лекарственное название АМФ. Особенностью препарата является его со-судорасширяющий эффект и способность улучшать периферическое кровообращение. Фосфа-ден применяют при свинцовом отравлении, острой перемежающейся порфирии, сосудистых нарушениях и ишемической болезни сердца, болезнях печени.
3. Рибоксин или Инозин является непосредственным предшественником АТФ. Инозин способен проникать в клетки и повышать их энергетический баланс. Имеются данные о спо-собности препарата повышать активность ферментов ЦТК, стимулировать синтез нуклеоти-дов и улучшать коронарное кровообращение.
ОБМЕН АМИНОКИСЛОТ И БЕЛКОВ
АЗОТИСТЫЙ БАЛАНС
Во всех клетках организма постоянно идут процессы анаболизма и катаболизма. Также как и любые другие молекулы, белковые молекулы в организме непрерывно распадаются и синтезируются, т.е. идет процесс самообновления белков. В здоровом организме мужчины массой 70 кг величина скорости распада соответствует скорости синтеза и равна 500 г белка в сутки.
Если скорость синтеза белков равна скорости их распада, наступает азотистый баланс, или, по другому, это состояние, когда количество выводимого азота равно количеству полу-чаемого (Vпоступ = Vвывод).
Если синтез белков превышает скорость их распада, то количество выводимого азота снижается и разность между поступающим азотом и выводимым (Vпоступ – Vвывод) становится положительной. В этом случае говорят о положительном азотистом балансе. Положительный азотистый баланс наблюдается у здоровых детей, при нормальной беременности, выздоравли-вающих больных, спортсменов при наборе формы, т.е. в тех случаях, когда усиливается синтез структурных и функциональных белков в клетках.
При возрастании доли выводимого азота наблюдается отрицательный азотистый ба-ланс. Отрицательный баланс отмечается у больных и голодающих.
Всемирная организация здравоохранения рекомендует принимать не менее 42 г полно-ценного белка в сутки – это физиологический минимум. Только в этом случае в организме наступает азотистый баланс.
В реальности нормы потребления белка устанавливаются, исходя из представлений о белковом составе пищевых продуктов, о соотношении полноценных и неполноценных белков в рационе. В России нормы суточного поступления пищевого белка для взрослых установлены на уровне 100-120 г, для детей 1 года жизни – 2-3 г на кг веса тела, у старших детей – около 1,5-2 г/кг веса. Животных белков должно быть не менее 60% от общего количества.
Основной трудностью при расчете нормативов потребления белков является разнообра-зие их аминокислотного состава и неодинаковая потребность организма в разных аминокис-лотах. В связи с этим введены критерии качества белка:
o соотношение заменимых и незаменимых аминокислот – в белке должно быть не менее 32% незаменимых аминокислот,
o близость аминокислотного состава белка к аминокислотному составу усредненного белка тела человека,
o легкость переваривания в ЖКТ.
Строение некоторых белков снижает или даже исключает их усвоение: например, плохо переваривается коллаген, кератин (белок волос и шерсти) вообще не гидро-лизуется в ЖКТ, так как содержит очень много дисульфидных (S-S) связей, для расщепления которых у животных нет ферментов.
Существует понятие оптимального по всем параметрам идеального белка, к нему наиболее близок белок куриного яйца. Растительные белки считаются неполноценными, так как в их составе мало незаменимых аминокислот, и также доля тех или иных аминокислот в растительном белке резко отличается от таковой животного белка.
Обмен аминокислот и белков 98
Так как аминокислоты необходимы в определенном соотношении, то возникает понятие "лимитирующей аминокислоты", т.е. поступающей в минимальном и недостаточном коли-честве. Отсутствие этой аминокислоты препятствует использованию (включению в состав белка) других аминокислот, которых может быть достаточно.
При недостатке белка в пище задерживается рост у детей, отстает физическое и умствен-ное развитие, изменяется состав костной ткани, снижается активность иммунной системы и сопротивляемость к заболеваниям, тормозится деятельность эндокринных желез. Выражен-ным нарушением потребления белков является квашиоркор – нехватка белков, особенно жи-вотных, в пище. В результате возникает дисбаланс аминокислотного состава пищи и недоста-ток незаменимых аминокислот. Заболевание наиболее характерно для слаборазвитых стран Азии и Африки и его начало совпадает с отнятием ребенка от груди матери (1,5-3 годика), когда он лишается полноценного белка и переходит на скудное растительное питание взрос-лых. У больных наблюдается истощение, остановка роста, отечность, анемия, нарушение ин-теллекта и памяти, умственная отсталость, гипопротеинемия и аминоацидурия.
ВНЕШНИЙ ОБМЕН АМИНОКИСЛОТ И БЕЛКОВ
Переваривание белков начинается в желудке, продолжается в двенадцатиперстной кишке и тонком кишечнике. Распад белков и аминокислот может происходить также в толстом кишечнике под влиянием микрофлоры.
Протеолитические ферменты подразделяют по особенности их действия на экзопепти-дазы, отщепляющие концевые аминокислоты, и эндопептидазы, действующие на внутренние пептидные связи.
ЖЕЛУДОК
В желудке пища подвергается воздействию желудочного сока, включающего соляную кислоту и ферменты. К ферментам желудка относятся две группы протеаз с разным оптиму-мом рН, которые упрощенно называют пепсин и гастриксин. У грудных детей основным фер-ментом является реннин.
РЕГУЛЯЦИЯ ЖЕЛУДОЧНОГО ПИЩЕВАРЕНИЯ
Осуществляется нервными (условные и безусловные рефлексы) и гуморальными ме-ханизмами.
К гуморальным регуляторам желудочной секреции относятся гастрин и гистамин.
Гастрин выделяется специфичными G-клетками:
o в ответ на раздражение механорецепторов,
o в ответ на раздражение хеморецепторов (продукты первичного гидролиза белков),
o под влиянием n.vagus.
Гастрин стимулирует главные, обкладочные и добавочные клетки, что вызывает секре-цию желудочного сока, в большей мере соляной кислоты. Также гастрин обеспечивает секре-цию гистамина.
Гистамин, образующийся в энтерохромаффиноподобных клетках (ECL-клетки, принад-лежат фундальным железам) слизистой оболочки желудка, взаимодействует с Н2-рецепторами на обкладочных клетках желудка, увеличивает в них синтез и выделение соляной кислоты.
Закисление желудочного содержимого подавляет активность G-клеток и по механизму обратной отрицательной связи снижает секрецию гастрина и желудочного сока.
Соляная кислота
Одним из компонентов желудочного сока является соляная кислота. В образовании со-ляной кислоты принимают участие париетальные (обкладочные) клетки желудка, образую-щие ионы Н+ и переносящие ионы Сl– из крови в полость желудка.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 99
Функции соляной кислоты
o денатурация белков пищи,
o высвобождение железа из комплекса с белками, что необходимо для его всасывания. Ана-логично высвобождаются и другие металлы,
o высвобождение различных органических молекул, прочно связазнных с белковой частью (гем, коферменты - тиаминдифосфат, ФАД, ФМН, кобаламин, биотин), что позволяет им впоследствии всасываться,
o бактерицидное действие,
o превращение неактивного пепсиногена в активный пепсин,
o снижение рН желудочного содержимого до 1,5-2,5 и создание оптимума рН для работы пепсина,
o после перехода в 12-перстную кишку – стимуляция секреции кишечных гормонов и, сле-довательно, панкреатического сока и желчи.
Совокупность всех веществ желудочного сока, способных быть донорами прото-нов, составляют общую кислотность. Соляную кислоту, связанную с белками и продуктами их переваривания, называют связанной соляной кислотой, а находя-щуюся в несвязанном виде - свободной соляной кислотой.
Пепсин
Пепсин – эндопептидаза, то есть расщепляет внутренние пептидные связи в молекулах белков и пептидов.
Синтезируется в главных клетках желудка в виде неактивного профермента пепсино-гена, в котором активный центр "прикрыт" N-концевым фрагментом. При наличии соляной кислоты конформация пепсиногена изменяется таким образом, что "раскрывается" активный центр фермента, который отщепляет остаточный пептид (N-концевой фрагмент), блокирую-щий работу фермента, т.е. происходит аутокатализ. В результате образуется активный пеп-син, активирующий и другие молекулы пепсиногена.
Обмен аминокислот и белков 100
Оптимум рН для пепсина 1,5-2,0. Пепсин гидролизует пептидные связи, образованные аминогруппами ароматических аминокислот (тирозина, фенилаланина, триптофана), и, значительно хуже, карбокси- и аминогруппами лейцина, глутаминовой кислоты и пр.
Гастриксин
Гастриксин по своим функциям близок к пепсину, его количество в желудочном соке составляет 20-50% от количества пепсина. Синтезируется главными клетками желудка в виде профермента и активируется соляной кислотой. Оптимум рН гастриксина соответствует 3,2-3,5 и значение этот фермент имеет при питании молочно-растительной пищей, слабее сти-мулирующей выделение соляной кислоты и одновременно нейтрализующей ее в просвете же-лудка. Гастриксин является эндопептидазой и гидролизует связи, образованные карбоксиль-ными группами дикарбоновых аминокислот.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 101
ДВЕНАДЦАТИПЕРСТНАЯ КИШКА И ТОНКИЙ КИШЕЧНИК
Покинув желудок, пища подвергается действию панкреатического сока, кишечного сока и желчи.
Сок поджелудочной железы содержит проферменты – трипсиноген, химотрипсиноген, прокарбоксипептидазы, проэластазу. Проферменты в просвете кишечника активируются до трипсина, химотрипсина, карбоксипептидаз и эластазы, соответственно. Указанные ферменты осуществляют основную работу по перевариванию белков.
В кишечном соке активны дипептидазы и аминопептидазы. Они заканчивают перева-ривание белков.
РЕГУЛЯЦИЯ КИШЕЧНОГО ПИЩЕВАРЕНИЯ
В тонком кишечнике под влиянием низкого рН начинается секреция гормона секретина, который с током крови достигает поджелудочной железы и стимулирует выделение жидкой части панкреатического сока, богатого карбонат-ионами (HCO3–).
Также благодаря работе желудочных ферментов в химусе имеется некоторое количество аминокислот, вызывающих освобождение холецистокинина-панкреозимина. Он стимули-рует секрецию другой, богатой проферментами, части поджелудочного сока, и секрецию желчи. В образовании желчи также принимает участие секретин, стимулирующий продукцию бикарбонатов эпителием желчных протоков.
В целом нейтрализация кислого химуса в двенадцатиперстной кишке происходит при участии панкреатического сока и желчи. В результате рН в 12-перстной кишке повышается до 7,0-7,5.
Трипсин
Синтезируемый поджелудочной железой трипсиноген в 12-перстной кишке подверга-ется частичному протеолизу под действием фермента энтеропептидазы, секретируемой клет-ками кишечного эпителия. От профермента отделяется гексапептид (Вал-Асп-Асп-Асп-Асп-Лиз), что приводит к формированию активного центра трипсина.
Трипсин специфичен к пептидным связям, образованным с участием карбоксильных групп лизина и аргинина.
Обмен аминокислот и белков 102
Трипсин может осуществлять аутокатализ, т.е. превращение последующих молекул трипсиногена в трипсин, еще он активирует остальные протеолитические ферменты панкреа-тического сока – химотрипсиноген, проэластазу, прокарбоксипептидазу. Также трипсин участвует в переваривании пищевых липидов, активируя фермент переваривания фосфолипи-дов – фосфолипазу А2, и колипазу фермента липазы, отвечающей за гидролиз триацилглице-ролов.
В таких продуктах, как бобовые (соя, горох, фасоль) содержится пептид – ингиби-тор трипсина, ухудшающий переваривание этих продуктов в сыром, термически необработанном виде.
Химотрипсин
Образуется из химотрипсиногена при участии трип-сина (расщепляет пептидную связь между аргинином-15 и изолейцином-16) и промежуточных, уже активных, форм химотрипсина, которые выстригают два дипептида из цепи профермента. Три образованных фрагмента удержи-ваются друг с другом посредством дисульфидных связей.
Фермент специфичен к пептидным связям, образо-ванных с участием карбоксильных групп фенилаланина, тирозина и триптофана.
Эластаза
Активируется в просвете кишечника трипсином из проэластазы. Гидролизует связи, образованные кар-боксильными группами малых аминокислот аланина, пролина, глицина.
Карбоксипептидазы
Карбоксипептидазы являются экзопептидазами, т.е. гидролизуют пептидные связи с С-конца пептидной цепи. Различают два типа карбоксипептидаз – карбоксипептидазы А и карбоксипептидазы В. Карбоксипептидазы А отщепляют с С-конца остатки алифатических и ароматических аминокислот, карбоксипептидазы В – остатки лизина и аргинина.
Аминопептидазы
Являясь экзопептидазами, аминопептидазы отщепляют N-концевые аминокислоты. Важными представителями являются аланинаминопептидаза и лейцинаминопептидаза, об-ладающие широкой специфичностью. Например, лейцинаминопептидаза отщепляет с N-конца белка не только лейцин, но и ароматические аминокислоты и гистидин.
Дипептидазы
Дипептидазы гидролизуют дипептиды, в изобилии образующиеся в кишечнике при ра-боте других ферментов.
Малое количество дипептидов и пептидов пиноцитозом попадают в энтероциты и здесь гидролизуются лизосомальными протеазами.
ТОЛСТЫЙ КИШЕЧНИК
При богатой белками диете часть пептидов, не успевая расщепиться, достигает толстого кишечника и потребляется живущими там микроорганизмами (см "Гниение белков в кишеч-нике").
ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕВАРИВАНИЯ БЕЛКА У ДЕТЕЙ
Сразу после рождения ребенка кислотность желудочного сока составляет около 6,0, за-тем он в течение первых 6-12 ч снижается до 1-2 единиц рН. Однако к концу первой недели
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 103
жизни рН вновь повышается до 5,0-6,0 и сохраняется на этом уровне продолжительное время, постепенно снижаясь к концу первого года жизни до величины рН 3,0-4,0. В возрасте 4-7 лет уровень рН в среднем составляет 2,5, в дальнейшем он снижается до величины взрослых 1,5-2,0.
Еще одной особенностью является то, что кислотность желудочного сока у грудных де-тей обеспечивается в основном молочной, а не соляной кислотой.
Протеолитическая активность желудочного сока к концу первого года жизни возрастает в 3 раза, но остается вдвое ниже, чем у взрослых. Из-за сниженной кислотности желудка в грудном возрасте (за исключением первых дней жизни) пепсин не играет существенной роли в переварива-нии белка и основным ферментом желудка грудных детей яв-ляется реннин. Его активность обнаруживается еще в анте-натальном периоде, являясь максимальной к моменту рожде-ния и не меняясь до 10 дня жизни. Синтезируется реннин главными клетками желудка в виде профермента (прорен-нина) и активируется при рН менее 5,0. Оптимальная кислот-ность среды для реннина 3,0-4,0.
Реннин (химозин) имеет значение только для перева-ривания молочного белка казеина. Отщепление гликопеп-тида от казеина превращает последний в параказеин, кото-рый связывает ионы кальция, створаживается и образует не-растворимую соль. Благодаря этому молочный белок задерживается в желудке и подвергается частичному перевариванию гастриксином. У взрослых функцию реннина берет на себя соля-ная кислота, денатурирующая казеин.
В раннем грудном возрасте активность поджелудочной железы относительно низка, од-нако в течение первого года жизни секреция панкреатических ферментов возрастает от 2 до 10 раз и уже в грудном возрасте всасывается около 98% поступивших аминокислот.
Низкая кислотность желудка и "слабая" протеолитическая активность ЖКТ в первые часы, дни и месяцы жизни обеспечивают формирование пассивного иммунитета младенца, т.к. антитела молозива и грудного молока всасываются, не перевариваясь. Благодаря этому дети, находящиеся на грудном вскармливании, гораздо менее подвержены детским болезням, перенесенными матерью в ее детстве, и взрослым инфекциям.
ТРАНСПОРТ АМИНОКИСЛОТ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ
Перенос аминокислот через мембраны клеток, как в кишечнике, так и в других тканях, осуществляется при помощи двух механизмов: вторичный активный транспорт и глутатионо-вая транспортная система.
1. Транспорт с использованием градиента концентрации натрия – вторичный активный транспорт.
В настоящее время выделяют 5 транспортных систем:
o для крупных нейтральных, в том числе алифатических и ароматических аминокислот,
o для малых нейтральных – аланина, серина, треонина,
o для основных аминокислот – аргинина и лизина,
o для кислых аминокислот – аспартата и глутамата,
o для малых аминокислот – глицина, пролина и оксипролина.
Вторичный активный транспорт основан на использовании низкой концентрации натрия внутри клеток, создаваемой Na+,K+-АТФазой. Специфический белок-транспортер связывает на апикальной поверхности энтероцитов аминокислоту и ион натрия. Используя движение натрия по градиенту концентрации, белок переносит аминокислоту в цитозоль.
Обмен аминокислот и белков 104
2. Транспорт аминокислот в комплексе с глутатионом при помощи фермента -глутамил-трансферазы.
Переносчиком некоторых аминокислот (обычно нейтральных) по этой схеме является трипептид глутатион (-глутамил-цистеил-глицин). При взаимодействии глутатиона с амино-кислотой на внешней стороне клеточной мембраны при участии глутамилтрансферазы. -глу-тамильный остаток связывает аминокислоту и происходит ее перемещение внутрь клетки. Глутатион при этом распадается на составляющие. После отделения аминокислоты происхо-дит ресинтез глутатиона.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 105
НАРУШЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕВАРИВАНИЯ БЕЛКОВ
ИЗМЕНЕНИЕ КИСЛОТНОСТИ В ЖЕЛУДКЕ
Гипоацидное состояние развивается при снижении активности и/или количества обкла-дочных клеток, синтезирующих HCl. В результате могут развиваться самые разнообразные последствия, прямо или косвенно связанные с невыполнением соляной кислотой ее функций:
o снижение переваривания белков как в желудке, так и в кишечнике,
o активация процессов брожения в желудке, запах изо рта,
o уменьшение высвобождения от белков и возникновение дефицита минеральных веществ и витаминов,
o снижение синтеза обкладочными клетками внутреннего фактора Касла и снижение вса-сывания витамина B12,
o активация процесса гниения белков в толстой кишке, бурление в кишечнике и метеоризм,
o снижение секреции кишечных гормонов и, как следствие, уменьшение выделения желчи и панкреатического сока,
o из-за нехватки желчи нарушение переваривания и всасывания липидов, развитие дефи-цита жирорастворимых витаминов.
Гиперацидное состояние развивается при повышенной активности обкладочных кле-ток. Может приводить к клиническим проявлениям в виде воспаления стенки желудка, эрозии и язвенной болезни желудка и двенадцатипеперстной кишки.
ПИЩЕВЫЕ АЛЛЕРГИИ
В раннем постнатальном периоде (у новорожденных и до 2-3 месяцев) проницаемость стенки кишечника у детей даже в норме повышена. Такая особенность обеспечивает про-никновение антител молозива и материнского молока в кровь ребенка и создает младенцу пас-сивный иммунитет. Молозиво также содержит ингибитор трипсина, предохраняющий имму-ноглобулины от быстрого гидролиза.
Однако при наличии неблагоприятных обстоятельств (гиповитаминозы, индивидуаль-ные особенности, неправильное питание) нарушается нормальная проницаемость кишечной стенки и создается повышенный поток в кровь младенца пептидов коровьего молока, яиц и других – развивается пищевая аллергия.
Аналогичная ситуация может наблюдаться у старших детей и взрослых при нарушениях желчевыделения, при гельминтозах, дисбактериозах, поражении слизистой оболочки кишеч-ника токсинами и т.п. Оздоровление желудочно-кишечного тракта и восстановление целост-ности его стенки существенно облегчает лечение аллергий и атопических дерматитов.
ЦЕЛИАКИЯ
Целиакия – наследственное прогрессирующее заболевание, приводящее к изменениям в тощей кишке: воспалению и сглаживанию слизистой оболочки, исчезновению ворсинок, атро-фии щеточной каемки и появлению кубовидных энтероцитов. Причиной является врожденная непереносимость белка клейковины злаков глютена, или точнее – его растворимой фракции глиадина. Заболевание проявляется после введения в рацион младенца глиадин-содержащих продуктов, в первую очередь манной каши. Точный патогенез заболевания до сих пор не вы-яснен, имеются гипотеза о прямом токсическом воздействии на стенку кишечника и гипотеза иммунного ответа на белок в стенке кишки.
Обмен аминокислот и белков 106
ГНИЕНИЕ БЕЛКОВ В КИШЕЧНИКЕ
При ухудшении всасывания аминокислот, при избытке белковой пищи, при нарушении деятельности пищеварительных желез недопереваренные фрагменты белков достигают тол-стого кишечника, где подвергаются воздействию кишечной микрофлоры. Этот процесс полу-чил название гниение белков в кишечнике. При этом образуются продукты разложения ами-нокислот, представляющие собой как токсины (кадаверин, путресцин, крезол, фенол, скатол, индол, пиперидин, пирролидин, сероводород (H2S), метилмеркаптан (СН3SН)), так и нейро-медиаторы (серотонин, гистамин, октопамин, тирамин).
Гниение белков также активируется при снижении перистальтики кишечника (запоры).
Cеротонин влияет на мозговое кровообращение, изменяя тонус сосудов, и участ-вует в патогенезе мигрени. Октопамин вызывает изменения на ЭЭГ, хлопающий тремор, извращение сна. Тирамин способен провоцировать гипертензию.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 107
ДЕТОКСИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ПЕЧЕНИ
В печени происходит обезвреживание токсических веществ, поступающих из толстого кишечника, с помощью двух систем:
o система микросомального окисления,
o система конъюгации.
Цель работы системы микросомального окисления заключается
o в увеличении реакционной способности молекулы и ее возможности вступить в реак-цию конъюгации,
o в придании гидрофильности молекуле, что способствует ее выведению с мочой и отсут-ствию накопления в нервной и жировой ткани.
Цель работы системы конъюгации заключается
o в маскировке токсичных групп (например, в феноле токсична ОН-группа).
МИКРОСОМАЛЬНОЕ ОКИСЛЕНИЕ
Микросомальное окисление – это последовательность реакций с участием оксигеназ и НАДФН, приводящих к внедрению атома кислорода в состав неполярной молекулы и появ-лению у нее гидрофильности.
Реакции осуществляются несколькими ферментами, расположенными на мембранах эн-доплазматического ретикулума (в случае in vitro они называются микросомальные мембраны). Ферменты организуют короткую цепь, которая заканчивается цитохромом P450. Цитохром Р450 включает один атом кислорода в молекулу субстрата, а другой – в молекулу воды.
Субстрат окисления необязательно является чужеродным веществом (ксенобиотиком). Микросомальному окислению также подвергаются предшественники желчных кислот и сте-роидных гормонов и другие метаболиты.
КОНЪЮГАЦИЯ
Для маскировки токсичных групп и придания большей гидрофильности молекуле суще-ствует процесс конъюгации, т.е. ее связывания с очень полярным соединением – таким соеди-нением являются глутатион, серная, глюкуроновая, уксусная кислоты, глицин, глутамин.
Обмен аминокислот и белков 108
В клетках они часто находятся в связанном состоянии, например:
o серная кислота связана с 3'-фосфоаденозин-5'-фосфатом и образует фосфоаденозинфос-фосульфат (ФАФС),
o глюкуроновая кислота связана с уридилдифосфорной кислотой и образует уридилдифос-фоглюкуроновую кислоту (УДФГК),
o уксусная кислота находится в виде ацетил-SKoA.
ОБРАЗОВАНИЕ ЖИВОТНОГО ИНДИКАНА
Примером реакций обезвреживания веществ является превращение индола в животный индикан. Сначала индол окисляется с участием цитохрома Р450 до индоксила, затем конъюги-рует с серной кислотой с образованием индоксилсульфата и далее его калиевой соли – живот-ного индикана.
При повышенном поступлении индола из толстого кишечника образование индикана в печени усиливается, далее он поступает в почки и выводится с мочой. По концентрации жи-вотного индикана в моче можно судить об интенсивности процессов гниения белка в кишеч-нике.
ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЙ ОБМЕН АМИНОКИСЛОТ
СУДЬБА АМИНОКИСЛОТ В КЛЕТКЕ
Существуют три источника аминокислот в клетке – поступление из крови, распад соб-ственных внутриклеточных белков и синтез заменимых аминокислот.
Путь дальнейшего превращения аминокислот зависит от вида и функции клетки, усло-вий ее существования и гормональных влияний.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 109
Реакции превращения аминокислот в клетке условно разделяют на три части, в зависи-мости от реагирующей группы:
o по радикалу,
o по карбоксильной группе,
o с участием аминогруппы.
ПРЕВРАЩЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ ПО РАДИКАЛУ
В организме присутствует 20 протеиногенных и еще больше непротеиногенных амино-кислот. Соответственно, существует аналогичное количество специфических путей для их ме-таболизма.
При определенных условиях (голодание, длительная физическая нагрузка) углеродный скелет аминокислот не сгорает полностью, а может участвовать в синтезе углеводов в печени (глюкогенные аминокислоты) и липидов (кетогенные аминокислоты).
К глюкогенным относятся аминокислоты (их большинство), при распаде которых обра-зуются пируват и метаболиты ЦТК, например, оксалоацетат, фумарат или -кетоглутарат. Эти метаболиты способны включаться в синтез глюкозы, например, при голодании.
Обмен аминокислот и белков 110
Кетогенными являются лизин и лейцин, при их окислении образуется только ацетил-SКоА. Он в состоянии принять участие в синтезе кетоновых тел, жирных кислот и холесте-рола.
Также выделяют небольшую группу смешанных аминокислот, из них образуется пи-руват, метаболиты ЦТК и ацетил-SКоА (фенилаланин, тирозин, изолейцин, триптофан).
При направлении аминокислот на катаболизм пути их обмена сходятся к 6 продуктам, которые вступают в ЦТК и полностью окисляются до углекислого газа и воды с выделением энергии. Из общего количества энергии, образующейся в организме, на долю аминокислот приходится около 10%.
РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТА Р/О ПРИ ОКИСЛЕНИИ НЕКОТОРЫХ АМИНОКИСЛОТ
Ранее при расчете эффективности окисления коэффициент P/O для НАДH прини-мался равным 3,0, для ФАДH2 – 2,0.
По современным данным значение коэффициента P/O для НАДH соответствует 2,5, для ФАДH2 – 1,5.
При расчете энергетической ценности, т.е. количества АТФ, образующейся при полном окислении аминокислот, и коэффициента Р/О необходимо представлять себе весь путь амино-кислоты до полного окисления ее углеродных атомов в СО2. При этом необходимо учитывать число атомов углерода в молекуле.
Например, аспартат содержит 4 атома углерода и поэтому его остатку необходимо пройти 2 оборота ЦТК, прежде чем все они выделятся в виде СО2. Подсчитывая число вос-становленных НАДН, ФАДН2 и ГТФ, образуемых в двух оборотах ЦТК, определяем сумму АТФ – 20 молекул. При расчете коэффициента Р/О учитываем только фосфат, включенный в АТФ ферментом АТФ-синтазой, т.е. в процессе окислительного фосфорилирования. Это зна-чит, что фосфат, входящий в ГТФ, не учитывается!
И, наконец, помним, что каждая молекула восстановленного эквивалента (т.е. НАДН или ФАДН2) передает на дыхательную цепь по одной паре электронов, которые проходят разное расстояние: от НАДН – три комплекса ферментов, от ФАДН2 – 2 комплекса ферментов, но в любом случае восстанавливают до воды по одному атому кислорода.
Схожим образом рассчитываем требуемые значения суммы АТФ и коэффициента Р/О для аланина и глутамата.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 111
Два атома углерода аланина попадают в ЦТК после того, как безазотистый остаток ала-нина – пируват – окислится в пируват-дегидрогеназном комплексе с образованием НАДН. Об-разованный ацетил-SКоА входит в ЦТК и полностью окисляется в одном его обороте. В ре-зультате в дыхательную цепь направляется 4 молекулы НАДН и 1 молекула ФАДН2.
Обмен аминокислот и белков 112
В случае с глутаматом надо учесть, что -кетоглутарат, образуемый из глутаминовой кислоты, является метаболитом цикла Кребса. Он сразу превращается в сукцинил-SКоА и да-лее, по реакциям ЦТК, в оксалоацетат. Для окисления оксалоацетата требуется два оборота ЦТК (см выше).
ПРЕВРАЩЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ ПО КАРБОКСИЛЬНОЙ ГРУППЕ
Такое превращение связано с удалением карбоксильной группы от аминокислоты и об-разованием биогенных аминов.
ГИСТАМИН
Реакция образования гистамина наиболее активно идет в тучных клетках легких, кожи, печени, в базофилах и эозинофилах. В них гистамин синтезируется и накапливается в секре-торных гранулах.
В кровь гистамин выделяется при повреждении ткани, при ударе, при электрическом раздражении. В клинической практике секреция гистамина обычно связана с аллергиями – при повторном попадании антигена в ранее сенсибилизированный организм развивается аллерги-ческая реакция.
Физиологические эффекты
1. Расширение артериол и капилляров и, как следствие, покраснение кожи, снижение артери-ального давления;
2. Повышение проницаемости стенки капилляров и, как следствие, выход жидкости в межкле-точное пространство (отечность), снижение артериального давления;
3. Если п.п.1 и 2 наблюдаются в головном мозге – повышение внутричерепного давления;
4. Увеличивает тонус гладких мышц бронхов, как следствие – спазм и удушье;
5. Слабо повышает тонус мышц желудочно-кишечного тракта;
6. Стимулирует секрецию слюны и соляной кислоты желудочного сока.
СЕРОТОНИН
Серотонин активно синтезируется в тучных клетках кожи, легких, печени, в селезенке, ЦНС.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 113
Физиологические эффекты
1. Стимулирует сокращение гладких мышц желудочно-кишечного тракта и, как следствие, по-вышение перистальтики ЖКТ.
2. Выражено стимулирует сокращение гладких мышц кровеносных сосудов в тканях, кроме миокарда и скелетных мышц, и, как следствие, повышение артериального давления.
3. Слабо увеличивает тонус гладких мышц бронхов.
4. В центральной нервной системе является тормозным медиатором.
5. В периферических нервных окончаниях обусловливает возникновение боли и зуда (напри-мер, при укусе насекомых).
ГАММА-АМИНОМАСЛЯНАЯ КИСЛОТА
Синтез -аминомасляной кислоты (ГАМК) происходит исключительно в центральной нервной системе – в подкорковых образованиях головного мозга.
Физиологические эффекты
В центральной нервной системе ГАМК (наряду с глутаминовой кислотой) является тор-мозным медиатором. Наиболее высока ее роль в височной и лобной коре, гиппокампе, минда-левидных и гипоталамических ядрах, черной субстанции, ядрах мозжечка.
ДОФАМИН
Синтез дофамина происходит в основном в нейронах промежуточного и среднего мозга.
Физиологические эффекты
Является медиатором дофаминовых рецепторов в подкорковых образованиях ЦНС, в больших дозах расширяет сосуды сердца, стимулирует частоту и силу сердечных сокращений, расширяет сосуды почек, увеличивая диурез.
ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ БИОГЕННЫХ АМИНОВ
Существуют два типа реакций инактивация биогенных аминов – дезаминирование и ме-тилирование.
Дезаминирование протекает с образованием свободного аммиака и с участием ФАД. Катализирует реакцию моноаминоксидаза, она обнаружена во многих тканях, но наиболее активна в печени, желудке, почках, кишечнике, нервной ткани.
Обмен аминокислот и белков 114
Метилирование биогенного амина происходит при наличии у него гидроксильной группы (дофамин, серотонин). В реакции принимает участие активная форма метионина – S-аденозилметионин (SAM), образуется метилированная форма амина и S-аденозилгомоци-стеин (SАГ).
ПРЕВРАЩЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ С УЧАСТИЕМ АМИНОГРУППЫ
Превращение аминокислот с участием NH2-группы сводится к ее отщеплению от угле-родного скелета – происходят реакции дезаминирования.
ТИПЫ ДЕЗАМИНИРОВАНИЯ
1. Внутримолекулярное – с образованием ненасыщенной жирной кислоты,
2. Восстановительное – с образованием насыщенной жирной кислоты,
3. Гидролитическое – с образованием карбоновой гидроксикислоты,
4. Окислительное – с образованием кетокислот.
Окислительное дезаминирование является основным путем катаболизма большинства аминокислот. Однако гистидин теряет аминогруппу с использованием внутримолекулярного
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 115
дезаминирования, а треонин и серин сразу подвергаются прямому расщеплению до глицина и ацетальдегида (треонин) или гидроксиметила (серин).
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ
Выделяют два варианта окислительного дезаминирования: прямое и непрямое.
Прямое окислительное дезаминирование
Прямое дезаминирование катализируется одним ферментом, в результате образуется NH3 и кетокислота. Прямое окислительное дезаминирование может идти в присутствии кис-лорода (аэробное) и не нуждаться в кислороде (анаэробное).
1. Аэробное прямое окислительное дезаминирование катализируется оксидазами D-аминокислот (D-оксидазы) в качестве кофермента использующими ФАД, и оксидазами L-аминокислот (L-оксидазы) с коферментом ФМН.
Наибольшая активность L-оксидаз обнаружена в печени и в почках, но роль их не совсем ясна, т.к. их оптимум рН находится около 10 и при внутриклеточных рН ферменты почти не активны.
Оксидазы D-аминокислот, имеющих только бактериальное происхождение, сни-жают их количество в тканях. Это модулирует обнаруженное недавно влияние D-аминокислот на активность эндокринных желез и ЦНС.
2. Анаэробное прямое окислительное дезаминирование существует только для глутами-новой кислоты, катализируется только глутаматдегидрогеназой, превращающей глутамат в -кетоглутарат. Фермент глутаматдегидрогеназа имеется в митохондриях всех клеток орга-низма (кроме мышечных).
Этот тип дезаминирования теснейшим образом связан с трансаминированием аминокис-лот (см ниже) и формирует с ним процесс трансдезаминирования (см ниже).
Непрямое окислительное дезаминирование (трансдезаминирование)
Непрямое окислительное дезаминирование включает 2 этапа и активно идет во всех клет-ках организма.
Обмен аминокислот и белков 116
Первый этап заключается в обратимом переносе NH2-группы с аминокислоты на кето-кислоту с образованием новой аминокислоты и новой кетокислоты – этот перенос называется трансаминирование (механизм реакции см ниже).
В качестве кетокислоты-акцептора ("кетокислота 2") в организме обычно используется -кетоглутаровая кислота, которая превращается в глутамат.
В результате трансаминирования свободные аминокислоты теряют -NH2-группы и пре-вращаются в соответствующие кетокислоты. Далее их кетоскелет катаболизирует специфиче-скими путями и вовлекается в цикл трикарбоновых кислот и тканевое дыхание, где сгорает до СО2 и Н2О. При необходимости (например, голодание) углеродный скелет глюкогенных ами-нокислот может использоваться для синтеза глюкозы.
Второй этап состоит в отщеплении аминогруппы от новообразованной аминокислоты (всегда глутамат) – происходит дезаминирование, которое осуществляется глутаматдегид-рогеназой (реакцию см выше).
Учитывая тесную связь обоих этапов, непрямое окислительное дезаминирование назы-вают трансдезаминирование.
Ниже подробно разбираются реакции трансаминирования и дезаминирования.
Механизм трансаминирования
Механизм реакции трансаминирования достаточно сложен. Катализируют реакцию ферменты аминотрансферазы, Они являются сложными ферментами, в качестве кофермента они имеют пиридоксальфосфат (активная форма витамина В6).
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 117
Весь перенос аминогруппы совершается в две стадии. К пиридоксальфосфату сначала присоединяется первая аминокислота, отдает аминогруппу, превращается в кетокислоту и от-деляется. Аминогруппа при этом переходит на кофермент и образуется пиридоксаминфос-фат. После этого на второй стадии присоединяется другая кетокислота, забирает амино-группу, превращаясь в новую аминокислоту, пиридоксальфосфат регенерирует.
Роль и превращение пиридоксальфосфата сводится к образованию промежуточных со-единений – шиффовых оснований (альдимин и кетимин). В первой реакции после отщепле-ния воды образуется иминовая связь между остатком аминокислоты 1 и пиридоксальфосфа-том. Полученное соединение называется альдимин. Перемещение двойной связи приводит к образованию кетимина, который гидролизуется водой по месту двойной связи. От фермента отщепляется готовый продукт – кетокислота 1.
Обмен аминокислот и белков 118
После отщепления кетокислоты 1 к комплексу пиридоксамин-фермент присоединяется кетокислота 2, и процесс идет в обратном порядке: образуется кетимин, затем альдимин, после чего отделяется новая аминокислота 2.
Чаще всего аминокислоты взаимодействуют со следующими кетокислотами: пировино-градной (с образованием аланина), щавелевоуксусной (с образованием аспартата), -кето-глутаровой (с образованием глутамата). Однако аланин и аспартат в дальнейшем все равно передают свою аминогруппу на -кетоглутаровую кислоту.
В тканях насчитывают около 10 аминотрансфераз, которые обладают групповой специфичностью и вовлекают в реакции все аминокислоты, кроме пролина, ли-зина, треонина, которые не подвергаются трансаминированию.
Таким образом, в тканях осуществляется поток избыточных аминогрупп на один общий акцептор – -кетоглутаровую кислоту. В итоге образуется большое количество глутаминовой кислоты.
Дезаминирование
В организме коллектором всех аминокислотных аминогрупп (аминного азота) является глутаминовая кислота, и только она подвергается окислительному дезаминированию с об-разованием аммиака и -кетоглутаровой кислоты. Фермент глутаматдегидрогеназа имеется в митохондриях всех клеток организма (кроме мышечных) и катализирует реакцию дезамини-рования глутамата.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 119
Так как НАДН используется в дыхательной цепи и -кетоглутарат вовлекается в реакции ЦТК, то реакция активируется при дефиците энергии при помощи АДФ и ингибируется из-бытком АТФ и НАДН.
Если реакция идет в митохондриях печени, аммиак используется для синтеза мочевины, которая в дальнейшем удаляется с мочой. В эпителии канальцев почек реакция необходима для удаления аммиака в процессе аммониегенеза.
ЭНЗИМОДИАГНОСТИКА С ПОМОЩЬЮ АМИНОТРАНСФЕРАЗ
В медицине нашло практическое применение определение активности двух аминотранс-фераз – аланинаминотрансферазы (АЛТ) и аспартатаминтрансферазы (АСТ). Хотя актив-ность обоих ферментов значительно возрастает при заболеваниях сердечной мышцы и печени, при поражении клеток миокарда наибольшая активность в сыворотке крови обнаруживается для АСТ, при гепатитах – для АЛТ.
В клинической практике определение активности АЛТ и АСТ используется для диффе-ренциальной диагностики болезней печени и миокарда, глубины поражения и контроля эф-фективности их лечения.
Оба фермента обратимо взаимодействуют с -кетоглутаровой кислотой и переносят на нее аминогруппы от соответствующих аминокислот с образованием глутаминовой кислоты и кетокислот.
Обмен аминокислот и белков 120
Повышение активности АСТ фермента в 2-20 раз отмечается в 95% случаев ин-фаркта миокарда, и даже при таких фор-мах инфаркта миокарда, которые не диа-гностируются с помощью ЭКГ. Однако из-за низкой органной специфичности (высокая активность фермента отмеча-ется также в скелетных мышцах, печени, эритроцитах) определение активности АСТ для диагностики инфаркта мио-карда постепенно сходит на нет.
РОЛЬ ТРАНСАМИНИРОВАНИЯ И ТРАНСДЕЗАМИНИРОВАНИЯ
Реакции трансаминирования:
o активируются в печени, мышцах и других органах при поступлении в клетку избыточ-ного количества тех или иных аминокислот – с целью оптимизации их соотношения,
o обеспечивают синтез заменимых аминокислот в клетке при наличии их углеродного ске-лета (кетоаналога),
o необходимы после прекращения использования аминокислот на синтез азотсодержащих соединений (белков, креатина, фосфолипидов, пуриновых и пиримидиновых оснований) – с целью дальнейшего катаболизма безазотистого остатка аминокислот и выработки энергии,
o необходимы при внутриклеточном голодании, например, при гипогликемиях различного генеза – для использования безазотистого остатка аминокислот в печени для кетогенеза и глюконеогенеза, в других органах для его прямого вовлечения в реакции ЦТК,
o при патологиях (сахарный диабет, гиперкортицизм) обусловливают наличие субстратов для глюконеогенеза и способствуют патологической гипергликемии.
Продукт трансаминирования – глутаминовая кислота: 1) является одной из транспорт-ных форм аминного азота в гепатоциты, 2) способна реагировать со свободным аммиаком, обезвреживая его (см "Связывание аммиака").
Процесс трансдезаминирования идет в организме непрерывно:
o сопряженные реакции трансаминирования и дезаминирования создают поток аминного азота из периферических клеток в печень для синтеза мочевины и в почки для синтеза аммонийных солей.
НЕПРЯМОЕ ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ АМИНОКИСЛОТ В МЫШЦЕ
В мышечных клетках при интенсивной работе, когда идет распад мышечных белков, ак-тивируется альтернативный способ дезаминирования аминокислот.
Образовавшийся при трансаминировании глутамат при участии АСТ реагирует с окса-лоацетатом и образуется аспарагиновая кислота. Аспартат далее передает свою аминогруппу на ИМФ (инозинмонофосфат) с образованием АМФ, который в свою очередь подвергается дезаминированию с образованием свободного аммиака.
Процесс носит защитный характер, т.к. при работе выделяется молочная кислота и ам-миак, связывая ионы Н+, предотвращает закисление цитозоля миоцитов.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 121
ОБМЕН И РОЛЬ КРЕАТИНА
Креатин – вещество скелетных мышц, миокарда, нервной ткани. В виде креатинфос-фата креатин является "депо" макроэргических связей, используется для быстрого ресинтеза АТФ во время работы клетки.
Особенно показательна роль креатина в мышечной ткани. Креатинфосфат обеспечи-вает ресинтез АТФ в первые секунды работы (5-10 сек), когда ни анаэробный гликолиз, ни аэробное окисление глюкозы и жирных кислот еще не активировано, и кровоснабжение мышцы не увеличено. В нервной ткани креатинфосфат поддерживает некоторое время жиз-неспособность клеток при отсутствии кислорода.
При мышечной работе ионы Са2+, высвободившиеся из саркоплазматического ретику-лума, являются активаторами креатинкиназы. Продукт реакции креатин осуществляет об-ратную положительную активацию фермента, что позволяет избежать снижения скорости реакции по ходу работы, которое должно было бы произойти по закону действующих масс из-за снижения концентрации креатинфосфата в работающих мышцах.
Около 3% креатинфосфата постоянно в реакции неферментативного дефосфорилиро-вания превращается в креатинин. Количество креатинина, выделяемое здоровым человеком в сутки, всегда почти одинаково и зависит только от объема мышечной массы.
Синтез креатина идет последовательно в почках и печени в двух трансферазных реак-циях. Первая реакция заключается в переносе амидиновой группы от аргинина на глицин с образованием гуанидинацетата.
Обмен аминокислот и белков 122
Полученный в почках гуанидинацетат током крови доставляется в печень и метилиру-ется с участием активной формы метионина – S-аденозилметионина. По окончании синтеза креатин доставляется в мышцы или мозг. Здесь при наличии энергии АТФ (во время покоя или отдыха) он фосфорилируется с образованием креатинфосфата.
Если синтез креатина опережает возможности его фиксации в мышечной ткани, то раз-вивается креатинурия – появление креатина в моче. Физиологическая креатинурия наблю-дается в первые годы жизни ребенка. Иногда к физиологической относят и креатинурию ста-риков, которая возникает как следствие атрофии мышц и неполного использования образую-щегося в печени креатина. При заболеваниях мышечной системы (при миопатии или прогрес-сирующей мышечной дистрофии) в моче наблюдаются наибольшие концентрации креатина – патологическая креатинурия.
ОБРАЗОВАНИЕ И УБОРКА АММИАКА
ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ АММИАКА В ОРГАНИЗМЕ
Аммиак непрерывно образуется во всех органах и тканях организма. Наиболее актив-ными его продуцентами в кровь являются органы с высоким обменом аминокислот и биоген-ных аминов – нервная ткань, печень, кишечник, мышцы.
Основными источниками аммиака являются следующие реакции:
o внутримолекулярное дезаминирование гистидина, катаболизм некоторых аминокислот (серина, треонина, глицина) – в печени,
o окислительное дезаминирование глутаминовой кислоты во всех тканях (кроме мышеч-ной), особенно в печени и почках,
o дезаминирование амидов глутаминовой и аспарагиновой кислот – в печени и почках,
o катаболизм биогенных аминов – во всех тканях, в наибольшей степени в нервной ткани,
o жизнедеятельность бактерий толстого кишечника,
o распад пуриновых и пиримидиновых оснований – во всех тканях.
В мышечной ткани при интенсивной нагрузке происходит частичное дезаминиро-вание АМФ с образованием ИМФ. Аммиак, образующийся при этом, связывает ионы Н+, что защелачивает внутриклеточную среду и препятствует ее закислению молочной кислотой.
СВЯЗЫВАНИЕ АММИАКА
В тканях существуют несколько реакций обезвреживания аммиака – синтез глутамино-вой кислоты и глутамина, синтез аспарагина, синтез карбамоилфосфата:
o синтез глутаминовой кислоты (восстановительное аминирование) – реакция по сути об-ратна реакции окислительного дезаминирования, однако в качестве кофермента исполь-зуется НАДФН. Происходит практически во всех тканях, кроме мышечной, но имеет не-большое значение, т.к. для глутаматдегидрогеназы предпочтительным субстратом явля-ется глутаминовая кислота и равновесие реакции сдвинуто в сторону -кетоглутарата,
o синтез глутамина – главный способ уборки аммиака. Наиболее активно происходит в нервной и мышечной тканях, в почках, сетчатке глаза, печени. Реакция протекает в ми-тохондриях.
Обмен аммиака 124
Образование большого количества глутамина при обезвреживании аммиака обеспечи-вает высокие концентрации этого вещества в крови (0,5-0,7 ммоль/л). Так как глутамин про-никает через клеточные мембраны путем облегченной диффузии, то он легко попадает не только в гепатоциты, но и в другие клетки, где есть потребность в аминогруппах. Азот, переносимый глутамином, используется клетками для синтеза пуринового и пиримидинового колец, гуанозинмонофосфата (ГМФ), аспарагина, глюкозамино-6-фосфата (предшественник всех остальных аминосахаров).
o синтез аспарагина – является второстепенным способом уборки аммиака, энергетически невыгоден, т.к. при этом тратятся 2 макроэргические связи,
o синтез карбамоилфосфата в митохондриях печени – реакция является первой в процессе синтеза мочевины (см ниже).
ТРАНСПОРТ АММИАКА
Транспортными формами аммиака из тканей в печень являются глутамин, аланин, в меньшей степени аспарагин и глутамат, некоторое количество аммиака находится в крови в свободном виде. Глутамин и аланин являются наиболее представленными, их доля среди всех аминокислот крови составляет до 50%. Большая часть глутамина поступает от мышц и нерв-ной ткани, аланин переносит аминный азот от мышц и стенки кишечника.
Целевыми органами для транспорта аммиака являются печень, почки и кишечник.
o в печени: а) аспарагин и глутамин дезаминируются соответственно аспарагиназой и глу-таминазой, образующийся аммиак используется для синтеза мочевины (см ниже), б) ала-нин вступает в реакции трансаминирования с -кетоглутаратом, образуемая глутамино-вая кислота подвергается окислительному дезаминированию,
o в кишечнике часть глутамина дезаминируется глутаминазой. После этого образованный аммиак выделяется в просвет кишечника (не более 5%) или в кровь воротной вены, а глу-тамат вступает в трансаминирование с пируватом, в результате чего аминоазот переходит на аланин и с ним поступает в печень,
o в почках идет образование и выведение аммонийных солей после дезаминирования глу-тамата, глутамина и аспарагина (см ниже).
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 125
ГЛЮКОЗО-АЛАНИНОВЫЙ ЦИКЛ
В мышцах основным акцептором лишнего аминного (т.е. от аминокислот) азота явля-ется пируват. При катаболизме белков в мышцах происходят реакции трансаминирования аминокислот c -кетоглутаратом, образуется глутамат, который далее передает аминоазот на пируват и образуется аланин. Из мышц с кровью аланин переносится в печень, где в обратной реакции передает свою аминогруппу на глутамат. Образующийся пируват используется как субстрат в реакциях синтеза глюкозы, а глутаминовая кислота дезаминируется и аммиак ис-пользуется в синтезе мочевины.
УДАЛЕНИЕ АММИАКА ИЗ ОРГАНИЗМА
Практически весь аммиак удаляется из организма через почки в виде мочевины, которая синтезируется в печени, и в виде образующихся в эпителии канальцев почек аммонийных солей.
В клетки аммиак попадает в составе глутамина и аспарагина, глутаминовой кислоты, аланина и в свободном виде. Кроме этого, при метаболизме он образуется в большом количе-стве и в самих гепатоцитах.
СИНТЕЗ МОЧЕВИНЫ
В печени весь удаляемый аммиак используется для синтеза мочевины. Увеличение син-теза мочевины наблюдается при распаде тканевых белков и азотистых соединений (голодание, воспалительные процессы, сахарный диабет) или при избыточном белковом питании. У мла-денцев синтез мочевины может быть снижен по двум причинам: незрелость печени и актив-ный синтез белков и нуклеиновых кислот при росте организма.
Реакции синтеза мочевины являются циклическим процессом и получили название ор-нитиновый цикл. Синтез мочевины начинается в митохондриях (первая и вторая реакции), оставшиеся три реакции идут в цитозоле. Для переноса цитруллина и орнитина через мито-хондриальную мембрану существуют специальные переносчики.
В образовании одной молекулы мочевины участвует 1 молекула NH4+, 1 молекула CO2, аминогруппа 1 молекулы аспарагиновой кислоты, затрачивается 4 макроэргические связи трех молекул АТФ.
Обмен аммиака 126
В противоположность аммиаку мочевина является нетоксичным и нейтральным со-единением. Она используется лейкоцитами как бактерицидный агент; в почках яв-ляется стимулятором осмотического диуреза; после выделения в кишечник ее азот может включаться кишечными бактериями или даже энтероцитами в состав ами-нокислот.
При хронической почечной недостаточности, когда продукты азотистого обмена не выводятся из организма, токсичное действие на организм оказывает совсем не мочевина, а совокупность более чем 200 других веществ.
СИНТЕЗ АММОНИЙНЫХ СОЛЕЙ
Непосредственный синтез аммонийных солей или аммониегенез происходит в просвете канальцев почек из секретируемых сюда аммиака и ионов водорода и фильтрующихся орга-нических и неорганических анионов первичной мочи. Около 10% всего аммиака выводится почками в виде аммонийных солей.
Часть глутамина крови, не задержавшаяся в печени, достигает почек. В клетках почеч-ных канальцев, в основном в дистальных канальцах, имеется фермент глутаминаза, гидроли-зующая амидную группу с образованием глутамата. Глутамат, в свою очередь, дезаминиру-ется глутаматдегидрогеназой. Выделяемый аммиак диффундирует в просвет канальца, где соединяется с ионом Н+, образуя ионы аммония NH4+. Они связываются с неорганическими
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 127
(фосфаты, хлориды, сульфаты) или с органическими анионами (уксусной, щавелевой, молоч-ной кислот).
Данный процесс главное значение имеет не в процессе выведения аммиака, а при регуляции кислотно-основного состояния крови. При сдвигах КОС происходит адаптивное изменение активности глутаминазы. При ацидозе (закислении крови) необходимость выведения ионов Н+ вызывает увеличение синтеза фермента и воз-растание экскреции солей аммония. При алкалозе (защелачивании крови) актив-ность глутаминазы снижается и ионы Н+ сберегаются в организме.
ГИПЕРАММОНИЕМИИ
Аммиак является токсичным соединением, находящимся в крови в относительно неболь-ших концентрациях (11,0-32,0 мкмоль/л). Симптомы аммиачного отравления проявляются при превышении этих пределов всего в 2-3 раза. Предельно допустимый уровень аммиака в крови 60 мкмоль/л. При повышении концентрации аммиака (гипераммониемия) до предельных ве-личин может наступить кома и смерть. При хронической гипераммониемии развивается ум-ственная отсталость.
Выделяют наследственные и приобретенные (вторичные) формы гипераммониемий.
НАСЛЕДСТВЕННЫЕ ФОРМЫ
Наследственные формы гипераммониемии вызваны генетическим дефектом любого из пяти ферментов синтеза мочевины. Соответственно ферменту заболевание делится на пять ти-пов. Первичными признаками гипераммониемий являются сонливость, отказ от пищи, рвота, беспокойство, судороги, нарушение координации движений, тахипноэ, дыхательный алкалоз. Могут развиться печеночная недостаточность, легочные и внутричерепные кровоизлияния.
Обмен аммиака 128
Наиболее частой является гипераммониемия типа , связанная с недостатком орнитин-карбамоилтрансферазы. Заболевание сцеплено с Х-хромосомой. У матери также может наблюдаться гипераммониемия и отвращение к белковым продуктам. При полном дефекте фермента наследственные гипераммониемии имеют раннее начало (в период до 48 часов после рождения).
Лабораторным критерием заболевания является накопление глутамина (в 20 и более раз) и аммиака в крови, ликворе и моче.
Принцип лечения гипераммониемий сводится к ограничению белка в диете, уже это позволяет предотвратить многие нарушения мозговой деятельности. Параллельно применяют глутамат (связывающий аммиак) и фенилацетат, образующий с глутамином водораствори-мый комплекс, который выводится с мочой.
ПРИОБРЕТЕННЫЕ ФОРМЫ
Приобретенная гипераммониемия развивается вследствие заболеваний печени и вирус-ных инфекций, которые могут приводить к снижению синтеза ферментов орнитинового цикла и, в результате, к гипераммониемии. В тяжелых случаях она проявляется как тошнота, рвота, судороги, нечленораздельная речь, затуманивание зрения, тремор, нарушение координации движений.
На фоне избыточного содержания белка в пище, заболеваний ЖКТ или при кишеч-ном кровотечении (появление белка в нижних отделах кишечника) микрофлора ки-шечника активно продуцирует аммиак, который способен переходить в кровь во-ротной системы. Если у больного имеется сопутствующий цирроз печени (при ко-тором развиваются коллатерали между воротной веной и большим кругом крово-обращения), то развивается гипераммониемия.
ГИПОТЕЗЫ ТОКСИЧНОСТИ АММИАКА
Токсичность аммиака обусловлена следующими причинами:
1. При синтезе глутамата происходит отток -кетоглутарата из ЦТК, при этом понижается об-разование энергии АТФ и ухудшается деятельность клеток (гипоэнергетическое состоя-ние).
2. Аммиак вызывает защелачивание плазмы крови. При этом повышается сродство гемогло-бина к кислороду (эффект Бора), гемоглобин хуже отдает кислород в капиллярах, в резуль-тате наступает гипоксия клеток.
3. Накопление свободного иона NH4+ в цитозоле конкурентно влияет на работу внутриклеточ-ных ферментов, и он конкурирует с ионными каналами для Na+ и K+.
4. Глутамин, являясь осмотически активным веществом, приводит к задержке воды в клетках и их набуханию, что вызывает отек тканей. В случае нервной ткани это может вызвать отек мозга, кому и смерть.
5. Использование -кетоглутарата и глутамата для нейтрализации аммиака вызывает сниже-ние синтеза ГАМК, тормозного медиатора нервной системы.
ОБМЕН ОТДЕЛЬНЫХ АМИНОКИСЛОТ
ПУТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЛУТАМИНОВОЙ И АСПАРАГИНОВОЙ КИСЛОТ
В организме аспартат и глутамат используются всеми клетками для синтеза пуриновых и пиримидиновых оснований. Амидные производные этих аминокислот являются транспорт-ными формами аммиака из тканей в почки и печень. Кроме этого, глутаминовая кислота вхо-дит в состав глутатиона – вещества, выполняющего две различные функции – перенос амино-кислот через мембрану и ключевое звено в антиоксидантной системе клетки. Также глутамат и его производное -аминомасляная кислота являются медиаторами в ЦНС.
ПУТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦИСТЕИНА
Цистеин является чрезвычайно важной ами-нокислотой в связи с тем, что это единственный ис-точник органической серы для клеток организма. В результате реакций метаболизма эта сера переходит в состав других серусодержащих веществ – фосфо-аденозинфосфосерная кислота (ФАФС), коэнзим А, глутатион, сульфированные производные углево-дов (хондроитинсульфат, кератансульфат, дерма-тансульфат) или выводится почками в виде сульфа-тов.
Одним из производных цистеина является та-урин, обладающий следующими функциями: явля-ется обязательным компонентом желчных кислот и играет роль внутриклеточного антиоксиданта. Есть данные о функции таурина как тормозного нейро-медиатора.
Обмен отдельных аминокислот 130
ЦИСТИНОЗ
Этиология. Аутосомно-рецессивная болезнь лизосомального накопления, обусловлен-ная нарушением белка цистинозина, обеспечивающего транспорт цистина из лизосом. Воз-можно, имеется энзиматический блок на пути превращения цистина, результатом которого является накопление в организме его кристаллов. Частота – 1:100000 (в Англии и Франции – до 1:25000).
Патогенез. Происходит отложение цистиновых кристаллов в ретикулярных клетках костного мозга, в клетках печени, почек, селезёнки, слизистой оболочки прямой кишки, в лим-фатических узлах и лейкоцитах, в клетках роговицы и конъюнктивы, в островковых клетках поджелудочной железы, аорте, атрофических яичниках и мозге.
Диагноз. Первыми симптомами являются полиурия, полидипсия, лихорадка неизвест-ного происхождения. При исследовании мочи выявляется щелочной рН, глюкозурия и проте-инурия, что свидетельствует о синдроме нарушения функции почечных канальцев – синдроме Фанкони.
На втором году жизни ухудшается функция почек и развивается аминоацидурия, с по-вышенным выведением цистина с мочой, обнаруживаются кристаллы цистина в моче (цисти-нурия).
Клиническая картина. Различают 3 клинические формы (проявляющиеся в раннем дет-стве, в юношеском возрасте и у взрослых).
Цистиноз ранний нефропатический
Заболевание развивается на 1-м году жизни. Отмечаются отставание массы тела, психи-ческого развития, часто развиваются анорексия, гипотрофия и потеря аппетита, отставание в росте, миопатия, общая мышечная слабость, расстройства памяти, атрофия мозга, часто воз-никает метаболический ацидоз, рвота, запоры, полиурия и полидипсия. Могут наблюдаться подъемы температуры тела, не связанные с инфекцией.
Изменяется функция почек, появляются признаки, указывающие на канальцевые повре-ждения. К концу первого года жизни нарушение почек вызывает развитие рахита и остеопо-роза. Увеличены в размерах печень и селезенка.
В роговице можно обнаружить кристаллические отложения и ретинопатию по типу «соли с перцем». Прогрессивно нарастает фотофобия.
Кроме указанных отмечаются гипотиреоз, гипофункция яичников, эндокринная и экзо-кринная недостаточность поджелудочной железы.
Цистиноз нефропатический поздний
Отличается от раннего варианта нормальным ростом и началом в подростковом воз-расте. Прогрессирует более медленно, однако прогноз также неблагоприятный.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 131
Цистиноз доброкачественный взрослых
Начинается во взрослом возрасте. Характерно отсутствие аминоацидурии и нарушений функций почечных канальцев. Болезнь проявляется фотофобией, головными болями и слезо-течением.
Основы лечения
Если больного не лечить, то наблюдается ранняя терминальная почечная недостаточ-ность, тиреоидная недостаточность и мультиорганная дисфункция.
Введение цистеамина – каждая его молекула может связывать сульфгидрильные группы и комбинироваться с половиной молекулы цистина (цистеином). Это облегчает выход цистина из лизосом и значительно улучшает течение заболевания. Постоянное применение цистеамина замедляет повреждение почек и других органов.
Трансплантация почки – имеет относительную эффективность, т.к. не устраняет при-чину, продолжается дегенерация внутренних органов вследствие накопления цистина.
Также применяют высокие дозы витамина D (100 000 ME в сутки), анаболические гор-моны. Диетотерапия с ограничением белков, содержащих значимое количество серосодержа-щих аминокислот: метионина, цистеина и цистина.
ПУТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЛИЦИНА И СЕРИНА
Роль реакции превращения серина в глицин состоит в образовании активной формы тет-рагидрофолиевой кислоты – N5,N10-метилен-ТГФК. Одновременно данная реакция является первой на пути катаболизма серина.
Обмен отдельных аминокислот 132
Несмотря на простоту строения, глицин и серин являются весьма востребованными ами-нокислотами в клетках. Благодаря взаимопревращению перечень возможных путей метабо-лизма этих аминокислот еще больше расширяется.
ВЗАИМОСВЯЗЬ ОБМЕНА ГЛИЦИНА, СЕРИНА, ЦИСТЕИНА И МЕТИОНИНА
Образованный в реакции распада серина до глицина N5,N10-метилен-ТГФК при участии фермента метилен-ТГФК-редуктазы превращается в N5-метил-ТГФК. Она участвует в ме-тионин-синтазной реакции реметилирования гомоцистеина в метионин.
Метионин впоследствии присоединяет аденозильный остаток и превращается в актив-ную форму метионина – S-аденозилметионин, участвующий во многих реакциях метилиро-вания, в частности, при синтезе креатина, фосфатидилхолина, адреналина. В результате пере-мещения метильной группы и отщепления аденозина остается гомоцистеин, имеющий два пути метаболизма. Первый путь – реметилирование до метионина и вновь участие в реакциях метилирования. Второй путь – взаимодействие с серином при участии цистатионин-синтазы, превращение в цистатионин с последующим распадом в цистеин и -кетобутират.
Реакции метилирования необходимы для синтеза, кроме указанных, холина, нуклеоти-дов в ДНК и РНК, гистонов, используются для метилирования чужеродных соединений, в том числе лекарственных веществ.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 133
ГОМОЦИСТЕИНЕМИЯ
В настоящее время самым актуальным нарушением является гомоцистеинемия – накоп-ление гомоцистеина в крови.
Причины. Все причины данного нарушения делят, как минимум, на две группы:
1. Весьма распространенный дефицит витаминов В12, В6, В9, которые взаимодействуют с клю-чевыми ферментами метаболизма метионина и гомоцистеина – метионинсинтаза, цистати-онин-синтаза, метилен-ТГФК-редуктаза.
2. Наследственный дефект указанных выше ферментов:
o гомозиготный (аутосомно-рецессивно) дефект цистатионин-синтазы (врожденная го-моцистинурия, пиридоксинзависимая форма), частота 1:100000, наблюдается повышение уровня общего гомоцистеина натощак до 40 раз.
Клинические проявления включают различные глазные осложнения, проблемы с интел-лектом, деформации скелета, ранний атеросклероз и сосудистые (атеротромботические) осложнения. Примерно у половины нелеченых гомозигот сосудистые осложнения наблюда-ются до 30-летнего возраста. Гетерозиготная форма (примерно 1 на 150 человек в популяции) часто связана с нормальным базальным уровнем гомоцистеина, и пока не ясно, связана ли ге-терозиготность с дополнительным риском сосудистых осложнений.
o чаще причиной гипергомоцистеинемии является гомозиготный дефицит метилен-тет-рагидрофолат-редуктазы (пиридоксинрезистентная форма), при которой фермент имеет половиную активность от нормы.
В белой популяции 10-13% людей являются гомозиготами по этой мутации, и при недо-статочном потреблении фолата у них примерно на 50% повышается уровень общего гомоци-стеина.
o нарушенная активность метионинсинтазы. Описано всего несколько случаев такого де-фекта. Предполагается, что дефектным является фермент кобаламин-редуктаза, работа которого предшествует образованию дезоксиаденозилкобаламина и метилкобаламина, т.к. одновременно наблюдается повышение концентрации метилмалоновой кислоты (симптом дефицита витамина B12).
Патогенез. Гомоцистеин, растворенный в плазме, провоцирует свободнорадикальное окисление липидов в липопротеинах крови и тем самым их задержку в крови, ускоряет агре-гацию тромбоцитов, вызывает повреждение эндотелия сосудов.
Сопутствующие заболевания. Гомоцистеинемия считается независимым фактором риска и обнаруживается в 30% случаев атеросклероза, тромбозов, ишемической болезни сердца. Она выявляется при болезни Альцгеймера, нарушениях беременности – невынашива-ние, мертворождения.
Основы лечения. При дефекте цистатионин-синтазы применяется лечение витамином В6 в дозе 250-500 мг/день. При дефекте метилен-тетрагидрофолат-редуктазы уровень гомоци-стеина может быть снижен благодаря употреблению фолиевой кислоты по 5 мг/день. Вита-мин В12 оказывает положительное влияние.
Одновременно назначается диета со сниженным содержанием метионина, что достига-ется специальным подбором продуктов, бедных этой аминокислотой.
ОБМЕН ФЕНИЛАЛАНИНА И ТИРОЗИНА
В организме фенилаланин используется только в синтезе белков. Весь неиспользован-ный запас аминокислоты превращается в тирозин. Тирозин, кроме синтеза белков, необходим для синтеза тиреоидных гормонов, катехоламинов и пигментов.
Обмен отдельных аминокислот 134
КАТАБОЛИЗМ ФЕНИЛАЛАНИНА И ЕГО НАРУШЕНИЯ
Фенилаланин относится к незаменимым аминокислотам, поскольку ткани животных не обладают способностью синтезировать его бензольное кольцо. В то же время тирозин полно-стью заменим при достаточном поступлении фенилаланина с пищей. Объясняется это тем, что основной путь превращения фенилаланина начинается с реакции гидроксилирования с обра-зованием тирозина.
ФЕНИЛКЕТОНУРИЯ I (КЛАССИЧЕСКАЯ)
По Mc Kusick выделяется несколько типов фенилкетонурии: классическая (1 типа), ва-риантная (2 типа), 3 типа и материнская.
Фенилкетонурия 1 типа является наиболее распространенной аминоацидопатией. Ча-стота ФКУ среди новорожденных по данным массового скрининга в различных странах со-ставляет в среднем 1:10000, однако значительно варьирует в зависимости от популяции: от 1:4560 в Ирландии, до 1:100000 в Японии.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 135
Этиология. Заболевание наследуется аутосомно-рецессивно и вызвано мутацией, кото-рая вызывает снижение активности фермента фенилаланин-4-монооксигеназы, обеспечива-ющей превращение фенилаланина в тирозин. Фермент имеется только в печени, почках, под-желудочной железе.
Патогенез. В патогенезе ФКУ имеют значение многие обстоятельства, в частности:
o значительное накопление в тканях и жидкостях больного организма фенилаланина и его производных (фенилпировиноградная, фенилмолочная (миндальная), фенилуксусная, гиппуровая кислоты, фенилэтиламин, фенилацетилглютамин) и вызванный ими ацидоз,
o прямое токсическое действие указанных веществ на центральную нервную систему, ко-торое заключается в торможении фенилаланином активности ряда ферментов, в том числе пируваткиназы (окисление глюкозы), тирозиназы (синтез меланина), тирозин-гид-роксилазы (синтез катехоламинов) и нарушение синтеза моноаминовых нейромедиато-ров – тирамина, октопамина,
o нарушение синтеза серотонина, т.к. фенилаланин-4-монооксигеназа одновременно осу-ществляет гидроксилирование триптофана до 5-гидрокситриптофана, предшественника серотонина
o нарушение синтеза простых и сложных белков в тканях, что вызывает тяжелые повре-ждения мозга и нарушение функции печени у большинства больных.
Клиническая картина. Ребенок с фенилкетонурией выглядит при рождении здоровым. Манифестация ФКУ происходит на первом году жизни, обычно в возрасте 2-6 мес.
Первым симптомом заболевания может стать рвота. Другими ранними проявлениями болезни служат вялость ребенка, чрезмерная сонливость, отсутствие интереса к окружаю-щему, иногда повышенная раздражительность, беспокойство, плаксивость, также отмечаются срыгивания, нарушение мышечного тонуса (чаще мышечная гипотония), судороги.
Характерным признаком является повышенная потливость, от мочи и пота исходит не-обычный запах фенилуксусной кислоты, который характеризуют как заплесневелый, мыши-ный или волчий.
Дети отстают в физическом и нервно-психическом развитии.
Основы лечения. Вовремя начатое лечение (диетотерапия) обеспечивает хороший кли-нический эффект, нормальную продолжительность жизни.
Единственным методом лечения является диетотерапия – исключение из питания боль-ного высокобелковых продуктов питания с высоким количеством фенилаланина (мясо, рыба, яйцо, молоко, крупы). Вместо натурального белка используют специальные гидролизаты белка, частично или полностью лишенные фенилаланина.
Строгое ограничение белков животного происхождения требуется (по разным данным) на протяжении первых 2-3 лет жизни или как минимум до 6 лет, 5-10 лет, или до периода полового созревания. Во время беременности больные женщины должны возвращаться к ди-ете, чтобы не допустить развития у ребенка умственной отсталости.
Больные нуждаются в дополнительном введении витаминов, особенно группы В, ми-неральных веществ и микроэлементов.
ФЕНИЛКЕТОНУРИЯ II
Этиология. Аутосомно-рецессивный дефект дигидробиоптеринредуктазы.
Патогенез. В результате недостаточности фермента нарушается восстановление актив-ной формы тетрагидробиоптерина, участвующего в качестве кофактора гидроксилаз фенил-аланина и триптофана. Вследствие этого нарушается превращение фенилаланина в тирозин, триптофана в 5-гидрокситриптофан.
Патогенез. Отмечается снижение уровня фолатов в сыворотке крови, эритроцитах и це-реброспинальной жидкости. Это объясняется тесной взаимосвязью обмена фолатов и биопте-рина, в частности участием дигидробиоптеринредуктазы в метаболизме тетрагидрофолиевой кислоты.
Обмен отдельных аминокислот 136
Клиническая картина. В клинической картине преобладает тяжелая умственная отста-лость, судороги, признаки повышенной возбудимости, сухожильная гиперрефлексия, мышеч-ная дистония и гипотония, хореиформные движения (непроизвольные трясущиеся движения головы, лица или конечностей), спастический тетрапарез.
Течение болезни прогрессирующее и нередко приводит к смерти в 2-З-летнем возрасте. Появление клинической симптоматики, как правило, развивается в начале второго полугодия жизни, несмотря на диетотерапию.
Основы лечения. В отличие от классической формы этот вариант не поддается лече-нию ранним ограничением содержания фенилаланина в пище. Лечение тетрагидробиоптери-ном неэффективно, так как он не проникает через гематэнцефалический барьер. Заместитель-ная терапия L-ДОФА и 5-гидроокситриптофаном частично обходит блок в синтезе дофамина и серотонина.
ФЕНИЛКЕТОНУРИЯ III
Этиология. Заболевание наследуется аутосомно-рецессивно и связано с недостаточно-стью 6-пирувоилтетрагидроптеринсинтазы, участвующей в процессе синтеза тетрагидро-биоптерина из дигидронеоптерин-трифосфата.
Патогенез. Ключевую роль в патогенезе играет нарушение синтеза тетрагидробиопте-рина. Развивающиеся при этом расстройства сходны с нарушениями, наблюдаемыми при ФКУ II.
Клиническая картина. Неврологические нарушения, в частности мышечная гипотония и задержка двигательного развития, появляются раньше, чем при классической ФКУ. Даже при адекватном снижении уровня фенилаланина в крови с помощью диеты, нарастание кли-нической симптоматики не прекращается. В отличие от больных ФКУ-II у этих больных су-дорог не отмечается (причина не ясна).
Основы лечения. Лечение тетрагидробиоптерином неэффективно, так как он не прони-кает через гематоэнцефалический барьер. Заместительная терапия L-ДОФА и 5-гидроокси-триптофаном частично обходит блок в синтезе дофамина и серотонина. Диета неэффективна.
ДРУГИЕ ВАРИАНТЫ ФКУ
Также известны другие формы атипичной ФКУ, связанные с дефицитом тетрагидроби-оптерина.
Недостаточность гуанозинтрифосфат-циклогидролазы описана по крайней мере у пяти больных. Этот фермент катализирует первую ступень синтеза тетрагидробиоптерина из ГТФ и при его дефиците в моче обнаруживается крайне низкая концентрация всех птеринов.
МАТЕРИНСКАЯ ФКУ
Этиология. Появление умственной отсталости среди потомства женщин с ФКУ, не со-блюдающих диету в зрелом возрасте, получило наименование материнской ФКУ.
Патогенез. Патогенез патологии мало изучен, однако предполагается, что он сходен с патогенезом остальных форм ФКУ. Тяжесть поражения плода коррелирует с уровнем фенил-аланина в плазме матери. И в связи с накоплением этой аминокислоты в плаценте, ее содер-жание в организме плода оказывается выше, чем у матери. Тем не менее, прямое токсическое действие фенилаланина точно не подтверждено.
ОБМЕН ТИРОЗИНА И ЕГО НАРУШЕНИЯ
Тирозин, помимо участия в синтезе белков, является предшественником гормонов надпочечников адреналина, норадреналина, медиатора дофамина, гормонов щитовидной же-лезы тироксина и трийодтиронина, пигментов нейро-, эу- и феомеланинов.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 137
СИНТЕЗ МЕЛАНИНОВ Меланин (от греч. μελανος melanos – черный) – это пигмент, представляющий собой аморфную взвесь различных полимерных соединений. Различают эумеланины, феомела-нины, меланины, смешанные из двух предыдущих, и нейромеланины.
За выработку меланинов в коже отвечает 4 или 5 генов (по разным данным), располо-женных в разных хромосомах. Количество действующих генов определяет интенсивность синтеза меланина. Образование пигмента происходит в меланоцитах, для этого в них суще-ствуют специальные органеллы – меланосомы. Наполненные меланином меланосомы продви-гаются к апикальной части клетки и мигрируют в кератиноциты.
Начальным и ключевым ферментом синтеза меланинов является медь-содержащий фер-мент тирозиназа, имеющий тирозин-гидроксилазную активность и ДОФА-оксидазную актив-ность. Ее активность регулируется влияниями эйкозаноидов и эндотелина-1, которые реаги-руют на гормональные влияния и физические факторы (например, ультрафиолет).
Синтез меланинов начинается с превращения тирозина в диоксифенилаланин под влия-нием тирозиназы. Далее этот же фермент образует дофахинон и здесь пути синтеза эумелани-нов и феомеланинов расходятся, в синтезе феомеланинов дополнительно участвует цистеин.
Эумеланины обладают коричневым и черно-коричневым цветом, феомеланины – жел-тые или красновато-желтые. Эумеланины и феомеланины синтезируются меланоцитами кожи, сетчатки глаза и радужки, волосяных луковиц. Нейромеланины образуются в дофаминергиче-ских нейронах черной субстанции головного мозга.
Обмен отдельных аминокислот 138
Функцией меланинов является защитная. Они поглощают ультрафиолетовые лучи, спо-собны связывать катионы и анионы, хелатировать металлы (медь, марганец, хром, свинец, ртуть). Также меланины являются мощными антиоксидантами.
ТИРОЗИНЕМИЯ ТИПА I
Этиология. Тирозинемия типа I (гепаторенальная тирозинемия) возникает при недо-статочности фумарилацетоацетат-гидролазы. При этом накапливается фумарилацетоацетат и его метаболиты (сукцинилацетон), поражающие печень и почки. Частота 1:100000.
Клиническая картина. Существует две формы – острая и хроническая.
Острая форма составляет большинство случаев заболевания с началом в возрасте 2-7 мес и смертью 90% больных в возрасте 1-2 года из-за недостаточности печени.
К симптомам относится гипотрофия, рвота, "капустный запах" от тела и мочи, задержка развития, кровоточивость, диарея, мелена, гематурия, желтуха, анемия, периферические невропатии и параличи, кардиомиопатия, слабость мышц, дыхательные нарушения. Отмечают гипогликемию вследствие гиперплазии островковых клеток поджелудочной железы.
При хронической форме болезнь развивается позднее, медленнее прогрессирует. Про-должительность жизни около 10 лет.
Наблюдаются гипотрофия, узелковый цирроз печени и печеночная недостаточность, множественные дефекты почечной канальцевой реабсорбции с появлением синдрома Фанкони (щелочная рН мочи, глюкозурия, протеинурия), аминоацидурия, лейкопения, тром-боцитопения.
Из-за поражения печени и почек возникают проявления рахитоподобных заболеваний (остеопороз, остеомаляция). В результате печеночной недостаточности возникают симптомы, напоминающие острую порфирию. Непостоянными признаками являются умственная отста-лость и неврологические изменения.
Основы лечения. Лекарственным средством является нитизинон, конкурентный инги-битор 4-гидроксифенилпируват-диоксигеназы. Также используется диета со снижением коли-чества фенилаланина и тирозина, инъекции глутатиона.
ТИРОЗИНЕМИЯ ТИПА II
Гораздо более редкое заболевание по сравнению с тирозинемией I типа.
Этиология. Тирозинемия типа II (глазокожная тирозинемия) возникает при недоста-точности тирозин-аминотрансферазы.
Клиническая картина. Наблюдается задержка умственного и физического развития, микроцефалия, катаракты и кератоз роговицы (псевдогерпетический кератит), гиперкератоз кожи, членовредительство, нарушение тонкой координации движений.
Поражения почек и печени не наблюдается.
Основы лечения. Эффективна диета с низким содержанием тирозина, при этом пораже-ния кожи и роговицы быстро исчезают.
ТИРОЗИНЕМИЯ ТИПА III
Этиология. Тирозинемия III типа – результат генетического дефекта 4-гидроксифенил-пируват-диоксигеназы. Зафиксировано лишь несколько случаев этой болезни.
Клиническая картина. Характерные особенности включают умеренную умственную отсталость, судороги и периодическую потерю равновесия и координации (прерывистая атак-сия).
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 139
Обмен отдельных аминокислот 140
ТИРОЗИНЕМИЯ НОВОРОЖДЕННЫХ
Этиология. Тирозинемия новорожденных – результат кратковременного снижения ак-тивности 4-гидроксифенилпируват-гидроксилазы. Чаще наблюдается у недоношенных де-тей.
Клиническая картина. Наблюдается сниженная активность и летаргия. Аномалия счи-тается безвредной. Дефицит аскорбиновой кислоты усиливает клиническую картину.
Основы лечения. Диета со снижением количества белка, фенилаланина, тирозина и вы-сокие дозы аскорбиновой кислоты (100 мг/день).
АЛКАПТОНУРИЯ
Этиология. Генетическая аутосомно-рецессивная энзимопатия. В основе заболевания лежит снижение активности печеночного фермента гомогентизат-оксидазы, в результате в организме накапливается гомогентизиновая кислота. Частота в среднем 1:100 000.
Клиническая картина. Так как гомогентизат на воздухе окисляется и полимеризуется в меланиноподобное соединение, то наиболее частым и постоянным симптомом является тем-ная моча, на пеленке и нижнем белье остаются темно-коричневые пятна. Другим образом в детском возрасте болезнь не проявляется.
С возрастом гомогентизиновая кислота, накапливается в соединительно-тканных обра-зованиях, склерах и коже, вызывает шиферно-глубокий оттенок ушного и носового хрящей (охроноз), окрашивает одежду, контактирующую с потеющими участками тела (подмышки).
Из-за связывания гомогентизата с коллагеном ухудшается состояние соединительной ткани, что делает хрупкими хрящевые образования. После 30 лет развивается дегенеративный артрит позвоночника и крупных суставов (бедренные, коленные), межпозвонковые простран-ства сужены, снижается минеральная плотность костей. Может наблюдаться поражение почек и сердца.
Основы лечения. Хотя эффективные способы неизвестны, по аналогии с другими ами-нокислотными нарушениями рекомендуется с раннего возраста ограничить потребление фе-нилаланина и тирозина, что должно препятствовать развитию охроноза и суставных наруше-ний.
Назначают большие дозы аскорбиновой кислоты для снижения связывания гомогенти-зиновой кислоты в соединительной ткани. Предлагается использовать препарат нитизинон, конкурентный ингибитор 4-гидроксифенилпируват-диоксигеназы.
АЛЬБИНИЗМ
Этиология. Заболевание обусловлено полным или частичным дефектом синтеза фер-мента тирозиназы (частота 1:20000), необходимой для синтеза диоксифенилаланина и мела-нинов в пигментных клетках.
Клиническая картина. При полном отсутствии фермента – тотальная депигментация кожи, волос, глаз, причем окраска одинакова для всех расовых групп и не меняется с возрас-том. Кожа не загорает, совершенно отсутствуют невусы, какие-либо пигментные пятна, раз-виваются фотодерматиты. Сильно выражены нистагм, светобоязнь, дневная слепота (т.к. име-ется депигментация сетчатки и ускоренный распад родопсина), красный зрачковый рефлекс.
При частичной недостаточности фермента отмечаются светло-желтые волосы, слабопиг-ментированные родинки, очень светлая кожа.
Основы лечения. Рекомендуется использовать различные средства защиты от ультра-фиолетовых лучей.
ПАРКИНСОНИЗМ
Этиология. Причиной паркинсонизма (частота после 60 лет 1:200) является низкая ак-тивность тирозин-гидроксилазы или ДОФА-декарбоксилазы в нервной ткани, при этом развивается дефицит нейромедиатора дофамина и накопление тирамина.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 141
Клиническая картина. Наиболее распространенными симптомами являются ригид-ность мышц, скованность движений, тремор и самопроизвольные движения.
Основы лечения. Требуется систематическое введение лекарственных аналогов дофа-мина и применение ингибиторов моноаминоксидазы.
КАТАБОЛИЗМ АМИНОКИСЛОТ С РАЗВЕТВЛЕННОЙ ЦЕПЬЮ
К аминокислотам с разветвленной цепью относятся валин, лейцин, изолейцин. Все они являются незаменимыми для человека. Аминокислоты активно участвуют в синтезе белков, особенно в мышечной ткани, играют роль в энергетике и метаболизме нервных клеток.
ЛЕЙЦИНОЗ (БОЛЕЗНЬ МОЧИ С ЗАПАХОМ КЛЕНОВОГО СИРОПА)
Причины. В основе заболевания лежит аутосомно-рецессивно наследуемый фермента-тивный блок окислительного декарбоксилирования кетокислот с разветвленной цепью, (ча-стота 1:180000) образующихся при распаде лейцина, изолейцина, валина. Эту реакцию осу-ществляет ферментативный комплекс дегидрогеназа -кетокислот с разветвленной цепью.
Патогенез до сих пор окончательно не выяснен. Но, так как известно, что лейцин ак-тивно поглощается нервной тканью, вероятно, нарушается его роль в энергетике нервных кле-ток и синтезе миелиновой оболочки. Обнаружено также понижение активности глутамат-де-карбоксилазы и образования ГАМК в мозге больных под влиянием повышенных количеств разветвлённых кетокислот.
Недоокисленные кетокислоты выделяются с мочой и придают ей специфический запах.
Клиническая картина. Клинически заболевание проявляется на первой неделе жизни рвотой, пронзительным криком и появлением характерного запаха мочи, напоминающего за-пах кленового сиропа, карамели, пережженного сахара или отвара овощей.
Одновременно появляется неврологическая симптоматика: отсутствие сухожильных рефлексов, мышечная гипотония, генерализованные и очаговые судороги, нарушение ритма дыхания. Отмечается замедленное психомоторное развитие, в дальнейшем – умственная от-сталость. Возможно развитие коматозного состояния, ранний летальный исход.
Основы лечения. Лечение осуществляется только диетой с исключением соответству-ющих аминокислот.
ИЗОВАЛЕРАТАЦИДЕМИЯ
Сходную с лейцинозом картину имеет и связанное с дефектом изовалерил-SKoA-дегид-рогеназы изолированное нарушение обмена лейцина – изовалератацидемия. Некоторым от-личием от лейциноза является появление у больных запаха "потных ног", идущего от тела.
Обмен отдельных аминокислот 142
ОБМЕН ТРИПТОФАНА
Поступающий в составе белков пищи триптофан в основном используется для биосин-теза белков организма и гормона мелатонина. Метаболизм остальной части осуществляется в трех направлениях, которые сложны и на некоторых участках перекрещиваются друг с другом. Принципиально можно выделить следующие пути:
1. Кинурениновый (основной) – окисление и разрушение индольного кольца с образованием производных кинуреновой и антраниловой кислот. В одном из ответвлений этого пути одна из 60 молекул триптофана превращается в никотиновую кислоту, большая часть триптофана распадается до ацетил-SКоА.
2. Серотониновый путь – окисление до 5-окситриптофана и далее превращение в серотонин и мелатонин.
3. Индольный путь – образование индольных производных, которые затем конъюгируются и выводятся с мочой.
СИНДРОМ ХАРТНУПА (ТРИПТОФАНУРИЯ)
Хартнуп – имя больного, родители которого были двоюродными братом и сестрой
Этиология. Аутосомно-рецессивное заболевание, гомозиготы встречаются с частотой примерно 1:16000. При синдроме Хартнупа в результате дефекта транспортного белка для нейтральных аминокислот эпителиоцитов возникает снижение всасывания (мальабсорбция) триптофана в кишечнике и уменьшение его реабсорбции в канальцах почек.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 143
Патогенез. Отмечается гипераминоацидурия с отсутствием триптофана в крови, в моче преобладают производные триптофана. Так как триптофан необходим для синтеза эндоген-ного витамина РР, то клиническая картина характеризуется признаками недостаточности ви-тамина PP.
Клиническая картина. У пациентов наблюдаются дерматологические, неврологиче-ские и психические проявления пеллагры, фоточувствительная кожная сыпь, эмоциональная лабильность, возможны энцефалопатия, преходящая мозжечковая атаксия.
Одним из симптомов является симптом голубых пеленок, возникающий из-за того, что избыток триптофана в кишечнике под действием микрофлоры превращается в индикан, кото-рый выводится с мочой и окисляется в индиго синего цвета.
Основы лечения. Симптомы болезни уменьшаются или даже исчезают при кормлении ребенка продуктами с высоким содержанием белка (4 г на 1 кг массы тела в день) и добавле-нием никотиновой кислоты (по 40-200 мг 4 раза в день).
ОБМЕН АРГИНИНА
Аргинин является положительно заряженной и условно незаменимой аминокислотой. Понятие условно-незаменимая используется по той причине, что у детей и подростков, у по-жилых людей синтез аргинина не покрывает потребности организма.
Аргинин в тканях входит в состав белков и, в частности, гистонов, регулирующих со-стояние ДНК. Метаболизм аргинина по аргиназному пути ведет к синтезу регуляторных по-лиаминов спермина и спермидина. Превращение по NO-синтазному пути используется для образования оксида азота (NO), выполняющего функцию мессенджера. Аргинин используется
Обмен отдельных аминокислот 144
в орнитиновом цикле мочевины, при синтезе креатина, выполяющего функцию запасного макроэрга.
СИНТЕЗ ОКСИДА АЗОТА
Оксид азота образуется при ферментативном окислении L-аргинина. Процесс сложен и катализируется NO-синтазами (NOS), кофакторами в реакции выступают НАДФН, тетрагид-робиоптерин, ФАД и ФМН.
Оксид азота обладает широким спектром биологического действия:
o играет ключевую роль в регуляции сосудистого тонуса,
o расслабляет гладкую мускулатуру,
o предотвращает агрегацию тромбоцитов и адгезию нейтрофилов к эндотелию,
o является важным нейромедиатором,
o обладает цитотоксической и микробицидной активностью.
В практическом здравоохранении широко используются нитратсодержащие противоан-гинальные препараты (нитроглицерин, нитросорбид, амилнитрит и др.), лечебный эффект которых обосновано связывают с их способностью высвобождать в организме оксид азота.
СИНТЕЗ ПОЛИАМИНОВ
Действие аргиназы на молекулу аргинина приводит к образованию мочевины и орни-тина. Орнитин декарбоксилируется до путресцина. Путресцин взаимодействует с S-метиладенозин–гомоцистеамином (производное S-аденозилметионина, также называется S-аденозил-метилтиопропиламин) и последовательно получает от него пропиламин. В итоге в двух реакциях образуются полиамины спермидин и спермин. Эти высокоактивные веще-ства содержатся в клетках всех типов и жизненно необходимы для их нормального роста и пролиферации.
Спермин и спермидин:
o взаимодействуют с ДНК, РНК и нуклеопротеинами,
o служат регуляторами активности ферментов транскрипции, репликации и репарации,
o абсолютно незаменимы при синтезе одного из факторов инициации при трансляции,
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 145
o регулируют процесс полимеризации тубулина.
o участвуют в регуляции транспорта ионов Са2+ и ионов K+.
СТРОЕНИЕ И ОБМЕН НУКЛЕОТИДОВ
ВНЕШНИЙ ОБМЕН НУКЛЕОПРОТЕИНОВ
Нуклеотиды поступают в организм с пищей, главным образом, в составе нуклеопротеи-нов. После воздействия протеолитических ферментов желудка и кишечника из них освобож-даются нуклеиновые кислоты и белковая часть. Белки перевариваются обычным порядком, нуклеиновые кислоты с помощью дополнительных ферментов. Панкреатический сок содер-жит рибонуклеазы и дезоксирибонуклеазы, гидролизующие нуклеиновые кислоты до поли-нуклеотидов.
После действия панкреатических нуклеаз полинуклеотидазы (или фосфодиэстеразы) кишечника гидролизуют нуклеиновые кислоты до мононуклеотидов. Далее, под действием нуклеотидаз и фосфатаз происходит гидролиз нуклеотидов до нуклеозидов, которые либо всасываются, либо под действием нуклеозидаз слизистой кишечника деградируют до пури-новых и пиримидиновых оснований.
В просвете кишечника пуриновые основания могут подвергаться окислению до мочевой кислоты, которая всасывается и затем выделяется с мочой. Большая часть тех пуринов, что всосались, в энтероцитах также окисляется в мочевую кислоту, при этом не происходит их перехода в кровь, в другие клетки и во вновь образующиеся молекулы нуклеотидов и нуклеи-новых кислот.
Как и пурины, свободные пиримидины в основном катаболизируют и выделяются без их использования в организме.
Таким образом, нуклеиновые кислоты и/или отдельные полинуклеотиды пищевых про-дуктов не поступают из кишечника в кровоток и не выступают в роли поставщика непосред-ственных предшественников ДНК и РНК клеток организма. И хотя млекопитающие потреб-ляют значительные количества нуклеиновых кислот и нуклеотидов, их жизнедеятельность и генотип не зависят от всасывания этих веществ или соответствующих продуктов распада.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 147
ПУРИНОВЫЕ НУКЛЕОТИДЫ
СТРОЕНИЕ ПУРИНОВЫХ ОСНОВАНИЙ И НУКЛЕОТИДОВ
К пуриновым азотистым основаниям относят аденин и гуанин. Гипоксантин, ксантин и мочевая кислота являются конечными продуктами обмена пуринов в организме человека и большинства млекопитающих и птиц.
На основе азотистых оснований синтезируются нуклеозиды, представляющие собой комбинацию азотистого основания и рибозы (или дезоксирибозы).
Присоединением одного, двух или трех остатков фосфорной кислоты к нуклеозиду до-стигается образование соответственно нуклеозид(моно-,ди-,три)фосфатов.
Строение и обмен нуклеотидов 148
СИНТЕЗ ПУРИНОВЫХ ОСНОВАНИЙ И НУКЛЕОТИДОВ
Синтез пуриновых оснований происходит во всех клетках организма, главным образом в печени. Исключение составляют эритроциты, полиморфноядерные лейкоциты, лимфоциты.
Условно все реакции синтеза можно разделить на 4 этапа:
1. Синтез 5'-фосфорибозиламина.
Рибозо-5-фосфат является тем якорем, на основе которого синтезируется сложный пури-новый цикл. Первая реакция синтеза пуринов заключается в активации углерода в первом по-ложении рибозо-5-фосфата, это достигается синтезом 5-фосфорибозил-1-дифосфата (ФРДФ).
Вторая реакция – это перенос NH2-группы глутамина на активированный атом С1 ри-бозо-5-фосфата с образованием 5-фосфорибозиламина. Указанная NH2-группа фосфорибози-ламина уже принадлежит будущему пуриновому кольцу и ее азот будет атомом номер 9.
2. Синтез инозинмонофосфата (ИМФ). 5-фосфорибозиламин вовлекается в девять ре-акций, и в результате образуется первый пуриновый нуклеотид – инозинмонофосфорная кис-лота (ИМФ). В этих реакциях источниками атомов пуринового кольца являются глицин, ас-партат, еще одна молекула глутамина, углекислый газ и производные ТГФК. В целом на син-тез пуринового кольца затрачивается энергия 6 молекул АТФ.
3. Синтез аденозинмонофосфата (АМФ) и гуанозинмонофосфата (ГМФ).
ГМФ образуется в двух реакциях – сначала ИМФ окисляется ИМФ-дегидрогеназой до ксантозилмонофосфата, источником кислорода является вода, акцептором водорода – НАД. После этого работает ГМФ-синтетаза, она использует универсальный клеточный донор NH2-групп – глутамин, источником энергии для реакции служит АТФ.
АМФ также образуется в двух реакциях, но в качестве донора NH2-группы выступает аспарагиновая кислота. В первой, аденилосукцинат-синтетазной, реакции на присоединение аспартата используется энергия распада ГТФ, во второй реакции аденилосукцинат-лиаза производит удаление части аспарагиновой кислоты в виде фумарата.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 149
4. Образование нуклеозидтрифосфатов АТФ и ГТФ.
Синтез ГТФ осуществляется в 2 стадии посредством переноса макроэргических фосфат-ных групп от АТФ.
Синтез АТФ происходит несколько иначе. АДФ из АМФ образуется также за счет мак-роэргических связей АТФ. Для синтеза же АТФ из АДФ в митохондриях есть фермент АТФ-синтаза, образующий АТФ в реакциях окислительного фосфорилирования.
Строение и обмен нуклеотидов 150
РЕГУЛЯЦИЯ СИНТЕЗА ПУРИНОВЫХ НУКЛЕОТИДОВ
Внутриклеточная регуляция
Регуляция синтеза пуринов происходит по механизму обратной отрицательной связи, т.е. продукт реакции (или совокупности реакций) ингибирует начальные этапы процесса. Для синтеза пуринов такими ингибиторами являются АМФ и ГМФ. ГМФ блокирует первые две реакции синтеза ИМФ, а также ИМФ-дегидрогеназную реакцию. АМФ блокирует первую ре-акцию синтеза ИМФ и аденилосукцинатсинтетазную реакцию.
Кроме этого, имеется положительная перекрестная регуляция со стороны АТФ и ГТФ, а именно – как участник реакций каждый из них оказывает стимулирующее влияние на синтез другого нуклеотида. Это заключается в том, что АТФ, принимая участие в ГМФ-синтетазной реакции, облегчает синтез ГМФ; в свою очередь, ГТФ является донором энергии для синтеза АМФ, участвуя в аденилосукцинат-синтетазной реакции.
Пиримидиновый нуклеотид тимидиндифосфат (ТДФ) также блокирует фермент ФРДФ-синтетазу, что снижает синтез ФРДФ, который используется при синтезе как пуринов, так и пиримидинов.
Лекарственная регуляция
При разработке новых противоопухолевых средств были предложены ингибиторы таких ферментов как ФРДФ-амидтрансфераза (азосерин, диазонорлейцин), ИМФ-дегидрогеназа (микофеноловая кислота, 6-меркаптопурин), аденилосукцинатлиаза (6-меркаптопурин).
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 151
РАСПАД ПУРИНОВЫХ НУКЛЕОТИДОВ
Наиболее активно катаболизм пуринов идет в печени, тонком кишечнике (пищевые пу-рины) и почках. Реакции распада пуринов можно условно разделить на 5 стадий:
1. Дефосфорилирование АМФ и ГМФ – фермент 5'-нуклеотидаза.
2. Гидролитическое отщепление аминогрупы от С6 в аденозине – фермент дезаминаза. Обра-зуется инозин.
3. Удаление рибозы от инозина (с образованием гипоксантина) и гуанозина (с образованием гуанина) с ее одновременным фосфорилированием – фермент нуклеозидфосфорилаза.
4. Окисление С2 пуринового кольца: гипоксантин при этом окисляется до ксантина (фермент ксантиноксидаза), гуанин дезаминируется до ксантина – фермент дезаминаза.
5. Окисление С8 в ксантине с образованием мочевой кислоты – фермент ксантиноксидаза.
Конечным продуктом распада пуринов мочевая кислота является у человека, при-матов, большинства млекопитающих и птиц. У остальных живых организмов мо-чевая кислота превращается в аллантоин.
Около 20% мочевой кислоты удаляется с желчью через кишечник, где она разрушается микрофлорой до CO2 и воды. Остальная часть удаляется через почки.
РЕУТИЛИЗАЦИЯ ПУРИНОВЫХ ОСНОВАНИЙ
Реутилизация пуриновых оснований – это процесс повторного их использования. Он осо-бенно актуален в быстрорастущих тканях (эмбриональная, регенерирующая, опухолевая), ко-гда активно идет процесс синтеза нуклеиновых кислот и недопустима потеря их предшествен-ников.
Сущность реутилизации заключается в присоединении к аденину, гуанину или гипоксан-тину рибозо-5-фосфата и образовании АМФ, ГМФ или ИМФ. Эту реакцию осуществляют со-ответствующие трансферазы. Наиболее характерным примером является реутилизация гипо-ксантина и гуанина под влиянием фермента гипоксантин-гуанин-фосфорибозил-трансфе-разы. В качестве источника рибозo-5-фосфата используется фосфорибозилдифосфат.
Строение и обмен нуклеотидов 152
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 153
НАРУШЕНИЕ ОБМЕНА ПУРИНОВЫХ ОСНОВАНИЙ
Самым частым нарушением обмена пуринов является повышенное образование мочевой кислоты с развитием гиперурикемии. В зависимости от длительности и тяжести гиперурике-мия проявляется:
1. Появление тофусов – отложение кристаллов мочевой кислоты в мелких суставах ног и рук, в сухожилиях, хрящах, коже.
2. Нефропатии с поражением почечных канальцев и мочекаменная болезнь.
3. Подагра.
ПОДАГРА
Когда гиперурикемия принимает хронический характер, говорят о развитии подагры (греч. poclos – нога, agra – захват, дословно – "нога в капкане").
В крови мочевая кислота находится в форме ее солей – уратов натрия. Растворимость уратов в плазме крови невелика и при превышении порога растворимости в плазме (около 0,7 ммоль/л) они кристаллизуются в периферических зонах с пониженной температурой, образуя тофусы (греч. tophus – пористый камень, туф). Накапливающиеся в межклеточном веществе ураты некоторое время фагоцитируются, но фагоциты не способны разрушить пуриновое кольцо. В результате это приводит к гибели самих фагоцитов, к выходу лизосомальных фер-ментов, активации свободнорадикального окисления и развитию острой воспалительной ре-акции – развивается подагрический артрит. В 50-75% случаев первым признаком заболева-ния является мучительная ночная боль в больших пальцах ног.
Длительное время подагру считали "болезнью гурманов", однако затем внимание иссле-дователей переместилось к наследственному изменению активности ферментов метаболизма пуринов:
o увеличение активности ФРДФ-синтетазы – приводит к избыточному синтезу пуринов,
o уменьшение активности гипоксантин-гуанин-фосфорибозил-трансферазы – из-за этого ФРДФ не используется для реутилизации пуриновых оснований, а участвует в пер-вой реакции их синтеза. В результате возрастает количество разрушающихся пуринов и одновременно повышается их образование.
Оба ферментативных нарушения рецессивны и сцеплены с X-хромосомой. Подагрой страдает 0,3-1,7% взрослого населения земного шара, соотношение заболевших мужчин и женщин составляет 20 : 1.
Основы лечения
Диета – снижение поступления предшественников мочевой кислоты с пищей и умень-шение ее образования в организме. Для этого из рациона исключаются продукты, содержащих много пуриновых оснований – кофе, чай, шоколад, мясные продукты, печень, красное вино, пиво. Предпочтение отдается вегетарианской диете с количеством чистой воды не менее 2 л в сутки.
К лекарственным средствам лечения по-дагры относят аллопуринол, по структуре схо-жий с гипоксантином. Ксантиноксидаза окис-ляет аллопуринол в аллоксантин, и последний остается прочно связанным с активным центром фермента и ингибирует его. Фермент осуществ-ляет, образно говоря, самоубийственный ката-лиз. Как следствие, ксантин не превращается в мочевую кислоту и, поскольку гипоксантин и ксантин лучше растворимы в воде, они более легко выводятся из организма с мочой.
Строение и обмен нуклеотидов 154
МОЧЕКАМЕННАЯ БОЛЕЗНЬ
Мочекаменная болезнь заключается в образовании кристаллов (камней) в мочевыводя-щих путях.
Мочекислые камни в мочевыводящих путях откладываются примерно у половины боль-ных подагрой. Наиболее часто они представлены в дистальных канальцах и собирательных трубочках. Причиной отложения кристаллов мочевой кислоты является гиперурикемия и по-вышенное выведение уратов натрия с мочой. Главным провоцирующим фактором кристалли-зации является усиление кислотности мочи.
При пониженном рН мочи ураты переходят в менее растворимую форму (кетоформу) и кристаллизуются в почечных канальцах. Возрастает образование уратных камней при закис-лении мочи, что происходит при различных патологиях (см "Кислотно-основное состояние"). Также рН мочи снижается при избыточном питании мясопродуктами, которые содержат боль-шое количество неорганических кислот, аминокислот и нуклеиновых кислот, и это делает та-кую пищу "кислой" и усугубляет процесс.
Основы лечения
Так же, как при подагре, лечение сводится к беспуриновой диете и использованию ал-лопуринола. В дополнение рекомендуется растительная диета, приводящая к защелачива-нию мочи, что увеличивает в первичной моче долю более растворимых в воде солей мочевой кислоты – уратов. Вместе с этим, уже имеющиеся кристаллы мочевой кислоты (а также окса-латов) способны растворяться при подщелачивании мочи.
Лекарственное лечение непременно должно сопровождаться соблюдением беспурино-вой диеты с большим количеством воды, в противном случае неизбежно появление ксантино-вых кристаллов в тканях и ксантиновых камней в почках.
СИНДРОМ ЛЕША-НИХАНА
Болезнь Леша-Нихана – это полное врожденное отсутствие активности гипоксантин-гуанин-фосфорибозил-трансферазы, фермента, отвечающего за реутилизацию пуриновых оснований. Признак рецессивный и сцеплен с Х-хромосомой, частота 1:300000. Впервые его описали в 1964 г в США студент-медик Майкл Леш и педиатр Уильям Нихан.
Дети рождаются клинически нормальными, только к 4-6 месяцу обнаруживаются откло-нения в развитии, а именно – отставание физического развития (с трудом держит голову), по-вышенная возбудимость, рвота, периодическое повышение температуры. Выделение мочевой кислоты можно обнаружить еще раньше по оранжевой окраске пеленок. К концу первого года жизни симптомы драматически нарастают, развивается нарушение координации движений, хореоатетоз, корковый паралич, спазм мышц ног. Наиболее характерный признак заболевания проявляется на 2-3-м году жизни – аутоагрессия или самокалечение – неодолимое стремление детей кусать себе губы, язык, суставы пальцев на руках и ногах.
Агрессия больных распространяется также на неживые предметы и окружающих людей. Нарушения интеллекта выражены, его снижение может быть до IQ≈60.
Лечение основано на беспуриновой диете с большим количеством чистой воды и с ис-пользованием аллопуринола. Производится контроль деятельности пациента с помощью фи-зических ограничений и психологической терапии.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 155
ПИРИМИДИНОВЫЕ НУКЛЕОТИДЫ
СТРОЕНИЕ ПИРИМИДИНОВЫХ ОСНОВАНИЙ И НУКЛЕОТИДОВ
К пиримидиновым азотистым основаниям относят тимин, цитозин и урацил.
На основе азотистых оснований синтезируются нуклеозиды, представляющие собой комбинацию азотистого основания и рибозы (или дезоксирибозы).
Присоединением одного, двух или трех остатков фосфорной кислоты к нуклеозиду до-стигается образование соответственно нуклеозид(моно-, ди-, три)фосфатов.
СИНТЕЗ ПИРИМИДИНОВЫХ ОСНОВАНИЙ И НУКЛЕОТИДОВ
Синтез пиримидиновых оснований происходит во всех клетках организма. В реакциях синтеза участвует глутамин, СО2, аспартат, затрачивается 2 молекулы АТФ.
Условно можно выделить этапы синтеза:
1. Образование карбамоилфосфата, эта реакция идет в цитозоле. Источником аминогруппы выступает глутамин.
Строение и обмен нуклеотидов 156
2. Образование пиримидинового кольца после присоединения аспарагиновой кислоты и ре-акции дегидратации. Первым пиримидиновым основанием является оротовая кислота.
3. Синтез оротидилмонофосфата и уридинмонофосфорной кислоты (УМФ). В реакции с фосфорибозилдифосфатом (ФРДФ) к оротовой кислоте присоединяется рибозо-5-фосфат и образуется оротидилмонофосфат, непосредственный предшественник УМФ.
4. Синтез УТФ осуществляется в 2 стадии посредством переноса макроэргических фосфат-ных групп от АТФ.
5. Синтез ЦТФ происходит из УТФ с затратой энергии АТФ при участии глутамина, являю-щегося источником NH2-группы.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 157
СИНТЕЗ ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕОТИДОВ
Особенностью обмена пуринов и пиримидинов является то, что они могут образовывать не только рибонуклеотиды, но и дезоксирибонуклеотиды. Дезоксирибонуклеотидтрифосфаты необходимы клетке для синтеза ДНК. Их образование протекает в три реакции:
1. В начале процесса происходит дефосфорилирование рибонуклеозидтрифосфатов с об-разованием АДФ, ГДФ, ЦДФ, УДФ.
2. Далее фермент рибонуклеотид-редуктаза восстанавливает АДФ, ГДФ, ЦДФ, УДФ до дезоксирибонуклеозиддифосфатов dАДФ, dГДФ, dЦДФ, dУДФ. Донором водорода для вос-становления рибозы является белок тиоредоксин, его SH-группы окисляются кислородом ри-бозы и образуется вода. Последующее восстановление тиоредоксина в рабочее состояние обеспечивается за счет НАДФН.
3. После образования dАДФ, dГДФ, dЦДФ фосфорилируются, а dУДФ используется для синтеза тимидилового нуклеотида.
СИНТЕЗ ТИМИДИЛТРИФОСФАТА
Три дезоксинуклеотида – dАТФ, dГТФ, dЦТФ сразу после синтеза используются для синтеза ДНК. Однако известно, что в составе ДНК нет уридиловых нуклеотидов, поэтому dУДФ не превращается в dУТФ, а идет на образование тимидилового нуклеотида. Участие в этом принимает фермент тимидилатсинтаза. Донором метильной группы является N5,N10-метилен-ТГФК.
Строение и обмен нуклеотидов 158
Восстановление дигидрофолиевой кислоты до N5N10-метилен-ТГФК происходит при участии двух ферментов – дигидрофолатредуктазы и серин-оксиметилтрансферазы (см "Пути использования серина и глицина").
Так как в этой реакции участвует фолиевая кислота, то ее дефицит тормозит обра-зование ТМФ, что приводит к снижению синтеза ДНК в быстроделящихся клетках – костного мозга, эпителиальных тканей, тканях эмбриона.
Побочные эффекты сульфаниламидов также связаны с замедлением синтеза ДНК.
РЕГУЛЯЦИЯ СИНТЕЗА ПИРИМИДИНОВ
Физиологическая регуляция
Регуляция синтеза пиримидинов происходит по механизму обратной отрицательной связи, т.е. продукт реакции (совокупности реакций) ингибирует начальные этапы процесса. Для синтеза пиримидинов такими ингибиторами являются УТФ и ЦТФ. ЦТФ ингибирует ас-партаткарбамоилтрансферазу, УТФ – карбамоилфосфатсинтетазу.
Синтез пиримидинов отрицательно регулируется также пуриновыми нуклеотидами АМФ и ГМФ.
Тимидилатдифосфат (ТДФ), в свою очередь, блокирует синтез ФРДФ ферментом ФРДФ-синтетазой (см "Синтез пуриновых оснований и нуклеотидов"), который используется как при синтезе пиримидинов, так и при синтезе пуринов.
Лекарственная регуляция
Исключительная роль тимидилатсинтазы в синтезе ТМФ обусловила поиск и исполь-зование ее ингибиторов для прекращения синтеза тимидилового нуклеотида и, как следствие, блока синтеза ДНК, что нашло применение в противоопухолевой терапии ("бестиминовая смерть").
Фторурацил – противоопухолевое (цитостатическое) средство, механизм его действия определяется превращением в 5-фтор-производные dУМФ и dУТФ, конкурентно ингибирую-щих фермент тимидилатсинтазу, что ведет к блокированию репликации ДНК.
Метотрексат, аминоптерин, триметоприм являются ингибиторами дигидрофолатре-дуктазы, что препятствует ресинтезу ТГФК и лишает реакцию кофермента.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 159
РАСПАД ПИРИМИДИНОВЫХ ОСНОВАНИЙ
Распад пиримидиновых нуклеотидов происходит в ряде реакций:
1. Отщепление 5'-фосфатной группы от ЦМФ, УМФ и ТМФ фермент 5'-нуклеотидаза.
2. Окислительное дезаминирование цитидина – аденозин-дезаминаза.
3. Дерибозилирование уридина и тимидина – нуклеозид-фосфорилаза.
4. Восстановление урацила и тимина – дегидрогеназа.
5. Гидролитическое расщепление пиримидинового кольца дигидропиримидиназой.
6. Отщепление аммиака и углекислого газа.
7. Вовлечение -аминокислот в реакции трансаминирования, изомеризации и далее в ЦТК.
РЕУТИЛИЗАЦИЯ ПИРИМИДИНОВЫХ ОСНОВАНИЙ
Реутилизация пиримидиновых оснований сводится к повторному использованию пири-мидиновых нуклеозидов. Свободные основания реутилизироваться не способны. Источником фосфатной группы является АТФ.
Строение и обмен нуклеотидов 160
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 161
НАРУШЕНИЕ ОБМЕНА ПИРИМИДИНОВЫХ ОСНОВАНИЙ
-АМИНОИЗОБУТИРАТАЦИДУРИЯ
Так как продукты катаболизма пиримидинов хорошо растворимы, то они хорошо выво-дятся с мочой и клинические симптомы патологий слабо выражены.
Примером подобного нарушения является -аминоизобутиратацидурия, при котором имеется дефект соответствующей трансаминазы. Заболевание протекает бессимптомно и встречается, в основном, у японцев и китайцев (около 25%).
ОРОТАТАЦИДУРИЯ
Оротатацидурия (или оранжевая кристаллоурия) может быть наследственной и приобре-тенной.
Наследственная форма
Наследственная форма оротатацидурии весьма редка связана с одновременным дефек-том оротатфосфорибозилтрансферазы и оротидилдекарбоксилазы, так как эти ферменты являются двумя активными центрами одного белка. Заболевание проявляется на втором полу-годии жизни гипохромной мегалобластической анемией, лейкопенией, отставанием умствен-ного и физического развития. Диагноз ставится при обнаружении в охлажденной моче оран-жевых игольчатых кристаллов оротовой кислоты. Болезнь осложняется тем, что при недо-статке УТФ и ЦТФ активируются первые реакции синтеза оротовой кислоты. При отсутствии лечения гибель наступает в первые годы жизни.
Однако, так как первопричиной заболевания является "пиримидиновый голод", его можно достаточно успешно корректировать с помощью приема уридина, при этом серьезно не опасаясь передозировки.
Приобретенная форма
Эта более частая форма оротатацидурии может наблюдаться:
o при дефекте каких-либо ферментов синтеза мочевины, кроме карбамоилфосфат-синте-тазы. При этом карбамоилфосфат митохондрий (в норме используемый для образования мочевины) выходит из них и используется для избыточного синтеза оротовой кислоты. Заболевание обычно сопровождается гипераммониемией.
o при лечении подагры аллопуринолом, который превращается в оксипуринолмононуклео-тид, являющийся ингибитором оротатдекарбоксилазы, что опять же ведет к накоплению оротата.
НУКЛЕОЗИДЫ И НУКЛЕОТИДЫ КАК ЛЕКАРСТВЕННЫЕ ПРЕПАРАТЫ
Азотистое основание аллопуринол используется при лечении подагры, при мочекамен-ной болезни и синдроме Леша-Нихана.
Лечебный эффект ряда антивирусных препаратов основан на их строении – они явля-ются производными азотистых оснований и нуклеозидов. Механизм действия различных нук-леозидов основан на их фосфорилировании в зараженных вирусом клетках с превращением в нуклеотиды, в конкуренции с обычными нуклеотидами за встраивание в вирусные нуклеино-вые кислоты, что останавливает размножение вируса.
МАТРИЧНЫЕ БИОСИНТЕЗЫ
Основной фигурой матричных биосинтезов являются нуклеиновые кислоты. Они пред-ставляют собой полимерные молекулы, в состав которых входят азотистые основания пяти типов, пентозы двух типов и остатки фосфорной кислоты.
Азотистые основания в нуклеиновых кислотах могут быть пуриновыми (аденин, гуанин) и пиримидиновыми (цитозин, урацил, тимин).
В зависимости от строения углевода выделяют рибонуклеиновые кислоты – содержат рибозу (РНК), и дезоксирибонуклеиновые кислоты – содержат дезоксирибозу (ДНК).
ОСНОВНОЙ ПОСТУЛАТ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ
В подавляющем большинстве случаев передача наследственной информации от мате-ринской клетки к дочерней осуществляется при помощи ДНК (репликация). Для использова-ния генетической информации самой клеткой необходимы РНК, образуемые на матрице ДНК (транскрипция). Далее РНК непосредственно участвуют на всех этапах синтеза белковых мо-лекул (трансляция), обеспечивающих структуру и деятельность клетки.
На вышесказанном основана центральная догма молекулярной биологии, согласно которой перенос генетической информации осуществляется только от нуклеиновой кислоты (ДНК и РНК). Получателем информации может быть другая нуклеиновая кислота (ДНК или РНК) и белок.
СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
СТРОЕНИЕ ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) представляет собой двухцепочечную молекулу, в каждой цепи мономерами выступают дезоксирибонуклеотиды – dАМФ, dГМФ, dЦМФ, dТМФ. Нуклеотиды связаны между собой через фосфатные мостики между 3' и 5' атомами углерода соседних дезоксирибоз. Сахарофосфатный остов в ДНК заряжен отрицательно бла-годаря заряду фосфатных групп. В то же время пуриновые и пиримидиновые основания гид-рофобны.
Цепи ДНК обладают направленностью, т.е. имеют 3'-конец и 5'-конец, цепи антипарал-лельны, т.е. направлены в разные стороны. Имеется комплементарность азотистых оснований: аденин комплементарен тимину (А=Т), гуанин комплементарен цитозину (ГЦ).
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 163
СТРОЕНИЕ ХРОМАТИНА
ДНК – наиболее важная часть хромосом: две двухцепочечные молекулы ДНК образуют одну хромосому. Наиболее хорошо хромосомы видны перед митозом и во время него. В поко-ящихся клетках хромосомный материал выглядит нечетко и распределен по всему ядру. В та-ком состоянии он получил название "хроматин". В составе хроматина выделяют 60% белка (гистоны и кислые белки), 35% ДНК и около 5% РНК.
Хроматин уложен в виде сферических частиц – нуклеосом, соединенных друг с другом нитью ДНК. Нуклеосома представляет собой комплекс участка молекулы ДНК и восьми мо-лекул гистонов. В составе нуклеосомы находятся по 2 молекулы гистонов Н2, Н2, Н3, Н4. Нить ДНК, последовательно контактируя с гистонами Н2, Н2, Н4, Н3, Н3, Н4, Н2, Н2, наматывается на гистоновое ядро, которое "маскирует" 146 пар оснований ДНК. Гистон Н1 связывается с нуклеосомой на участке входа и выхода ДНК, "склеивая" 2 оборота и "маскируя" еще 20 пар оснований. Таким образом, с помощью одной нуклеосомы замаскировано 166 пар оснований.
Кроме нуклеосом, в ядре присутствуют еще 2 уровня укладки ДНК: фибриллы диамет-ром 10 нм, состоящие из цепочки нуклеосом, и волокна, диаметром 30 нм, образующиеся при закручивании фибрилл в суперспираль. На виток такой спирали приходится 6-7 нуклеосом.
Матричные биосинтезы 164
Участок ДНК между нуклеосомами называется спейсерным (англ: space – пространство), его длина варьирует в зависимости от вида организма и типа клеток. У человека она составляет около 50 пар нуклеотидов.
Благодаря наличию нуклеосом достигается уменьшение размеров хромосомы в 7 раз, да-лее происходит укладка в суперспираль фибриллы и „суперсуперспираль" волокна.
СТРОЕНИЕ РИБОНУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Рибонуклеиновая кислота (РНК) представляет собой последовательность рибонуклео-зидмонофосфатов – АМФ, ГМФ, ЦМФ, УМФ, связанных друг с другом 5'-3'-фосфодиэфир-ными связями. По строению РНК отличается от ДНК однонитевой структурой, значительно меньшей молекулярной массой, наличием урацила вместо тимина и рибозы вместо дезокси-рибозы.
В клетке присутствует четыре типа РНК:
Матричные РНК (мРНК) представляют собой линейную последовательность нуклеоти-дов. К 5'-концу молекулы присоединен метилгуанозиндифосфат, на 3'-конце имеется полиаде-ниловая последовательность (см ниже). Их функция – информационная, т.е. перенос инфор-мации о структуре белков от ДНК к месту их синтеза.
Малые РНК используются для созревания мРНК и некоторых других клеточных про-цессов.
Рибосомальные РНК (рРНК) прокариот и эукариот различны и отличаются величиной седиментации (скорости оседания молекулы при центрифугировании). Они участвуют в по-строении рибосом.
У прокариот есть три разновидности рРНК: 5S, 16S и 23S. Малую (30S) субчастицу ри-босом образуют белки и 16S-рРНК; большую (50S) субъединицу – белки, 23S-рРНК и 5S-рРНК. У эукариот – в составе рибосом четыре разновидности рРНК: 5S, 5,8S, 18S и 28S. Малую (40S) субчастицу образуют белки и 18S-рРНК, большую (60S) – белки и 5S-, 5,8S-, 28S-рРНК.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 165
Транспортные РНК (тРНК) бактерий и эукариот включают 73-93 нуклеотида. Они пе-реносят аминокислоты из цитозоля к рибосомам. На 5'-конце тРНК находится гуаниловый нуклеотид, на 3'-конце – триплет Ц-Ц-А. Вторичная структура тРНК напоминает клеверный лист, а третичная – латинскую букву L. В "клеверном листе" выделяют четыре участка (или ветви, петли), каждый из которых имеет собственную функцию:
o антикодоновый – соединяется с кодоном матричной РНК в рибосоме,
o псевдоуридиловый – отвечает за связывание с рибосомой,
o дигидроуридиловый – отвечает за связывание с аминоацил-тРНК-синтазой,
o акцепторный – связывает переносимую аминокислоту.
Матричные биосинтезы 166
СИНТЕЗ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
РЕПЛИКАЦИЯ ДНК
Синтез ДНК происходит не беспорядочно, а в строго определенный период жизни клетки. Всего вы-деляют 4 фазы клеточного цикла: митоз (М), синтети-ческую (S), пресинтетическую (G1, от англ. gap – ин-тервал), постсинтетическую (G2).
Важное участие в регуляции смены фаз клеточ-ного цикла занимают циклины – белки массой 35-90 кДа, уровень которых меняется в ходе клеточ-ного цикла. По функции циклины – это активаторные субъединицы ферментов циклин-зависимых киназ (ЦЗК). Активные комплексы циклин-ЦЗК фосфорили-руют внутриклеточные белки, изменяя их активность. Этим обеспечивается продвижение по клеточному циклу.
Синтез (репликация, удвоение) ДНК происходит в S-фазу клеточного цикла, когда клетка готовится к делению. Механизм репликации, как установили Мэтью Мезельсон и Франклин Сталь в 1957 г, полуконсервативный, т.е. на каждой нити материнской ДНК син-тезируется дочерняя копия.
Как любой матричный биосинтез, репликация требует наличия нескольких компонентов:
o матрица – в ее роли выступает материнская нить ДНК,
o растущая цепь – дочерняя нить ДНК,
o субстраты для синтеза – dАТФ, dГТФ, dЦТФ, ТТФ,
o источник энергии – dАТФ, dГТФ, dЦТФ, ТТФ,
o ферменты.
Синтез ДНК начинается в определенных участках, получивших название точка ori (англ. origin – начало). На каждой ДНК млекопитающих точек ori насчитывается около 100. Репли-кация распространяется от этих участков в обе стороны по нитям ДНК с образованием репли-кативных "пузырей". В каждом таком "пузыре" имеются две репликативные "вилки", в которых происходит расплетание, раскручивание и непосредственный синтез ДНК. При этом репликативные вилки удаляются друг от друга. В целом вся репликация ДНК у эукариот за-канчивается за 9 часов.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 167
Синтез новой цепи ДНК идет в направлении от 5'-конца к 3'-концу, т.е. 5'-конец новой ДНК остается свободным, следующие нуклеотиды присоединяются к 3'-гидроксильной группе предыдущего нуклеотида.
В репликативной вилке в направлении 5' 3' непрерывно (т.е. обычным присоедине-нием последующих нуклеотидов к предыдущим через С3 и С5) синтезируется только одна нить, а именно та, для которой направление синтеза совпадает с направлением движения ре-пликативной вилки и соответствует направлению материнской нити 3' 5'. По мере распле-тания ДНК и движения репликативной вилки на этой материнской нити открываются участки, где возможно безостановочное удлинение ведущей дочерней нити.
Направление 5' 3' для другой дочерней нити ДНК противоположно движению репли-кативной вилки. Поэтому синтез этой отстающей нити (в направлении 5' 3') возможен только после расплетания части ДНК и освобождения участка для синтеза.
Таким образом, синтез дочерней ДНК идет фрагментарно. По имени японского исследо-вателя синтезируемые на отстающей цепи отрезки ДНК назвали фрагменты Оказаки.
Матричные биосинтезы 168
В хронологическом порядке события репликации развертываются примерно следующим образом:
1. ДНК-топоизомеразы, находясь перед репликативной вилкой, разрезают молекулу ДНК для облегчения ее расплетания и раскручивания.
2. ДНК-хеликазы, следуя за топоизомеразами, раскручивают и расплетают молекулу ДНК.
3. ДНК-связывающие белки (ДСБ) связывают расплетенные нити ДНК и стабилизируют их, не допуская обратного "слипания" друг с другом.
4. ДНК-полимераза (греч.: – дельта), согласовано со скоростью движения репликативной вилки, осуществляет элонгацию ведущей цепи дочерней ДНК в направлении 5' 3' на мат-рице одной из нитей материнской ДНК (скорость 100 пар нуклеотидов в секунду).
5. ДНК-полимераза α присоединяется к другой нити ДНК сразу после расплетания и в направ-лении 5' 3' синтезирует праймер (РНК-затравку) – последовательность РНК на матрице ДНК длиной от 10 до 200 нуклеотидов. После этого фермент удаляется с нити ДНК.
6. ДНК-полимераза проводит синтез фрагмента (длина 150-200 нуклеотидов) отстающей цепи дочерней ДНК в продолжение праймера. Она работает до тех пор, пока не встретит праймер предыдущего фрагмента Оказаки (синтезированного ранее). После этого данный фермент удаляется с цепи.
7. ДНК-полимераза встает вместо ДНК-полимеразы , движется в том же направлении (5' 3') и удаляет рибонуклеотиды праймера, одновременно встраивая дезоксирибонук-леотиды на их место. Фермент работает до полного удаления праймера, после чего сходит с цепи.
8. ДНК-лигаза производит сшивку отрезка, синтезированного ДНК-полимеразой , и участка отстающей цепи дочерней ДНК, встроенного ДНК-полимеразой , (фрагментов Ока-заки).
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 169
РЕГУЛЯЦИЯ РЕПЛИКАЦИИ
Лекарственная регуляция
1. Дауномицин и актиномицин D интеркалируют, т.е. встраиваются между нитей ДНК и препятствуют продвижению ферментов репликации.
2. Новобиоцин снижает активность ДНК-гиразы у бактерий, подавляя их размножение.
3. Мелфалан и циклофосфамид превращаются в организме в соединения, которые вы-зывают присоединение группы CH3 или C2H5 к атому N7 гуанозина обеих цепочек молекулы ДНК, что приводит к перекрестной сшивке двух спиралей ДНК и остановке репликации.
ПОВРЕЖДЕНИЯ И РЕПАРАЦИЯ ДНК
Так как на геном любой неделящейся клетки постоянно оказывает влияние окружающая среда, то вполне вероятны повреждения в составе нуклеотида, также возможно встраивание неправильного нуклеотида при репликации. Такие нарушения быстро определяются специ-альными ферментами, пораженный участок удаляется экзонуклеазами, заполняется ДНК-полимеразой и сшивается ДНК-лигазой.
В случае изменения структуры основания (например, его дезаминирование) это основа-ние удаляется ДНК-N-гликозидазой, затем другими ферментами удаляется дезоксирибоза и на ее место ДНК-полимеразой и ДНК-лигазой встраивается нужный нуклеотид.
ГИБРИДИЗАЦИЯ ДНК-ДНК И ДНК-РНК
Если нагреть раствор ДНК выше температуры 90С или сдвинуть рН в резко щелочную или резко кислую стороны, то водородные связи между нитями ДНК разрушаются и двойная спираль расплетается. Происходит денатурация ДНК или, по-другому, плавление. Если уда-лить агрессивный фактор, то происходит ренатурация или отжиг. При отжиге нити ДНК "отыскивают" комплементарные участки друг у друга и, в конце концов, вновь сворачиваются в двойную спираль.
Если в одной "пробирке" провести плавление и отжиг смеси ДНК человека и мыши, то некоторые участки цепей ДНК мыши будут воссоединяться с комплементарными участками цепей ДНК человека с образованием гибридов. Число таких участков зависит от степени род-ства видов. Чем ближе виды между собой, тем больше участков комплементарности нитей ДНК. Это явление называется гибридизация ДНК-ДНК.
Если в растворе присутствует РНК, то можно осуществить гибридизацию ДНК-РНК. Такая гибридизация помогает установить близость определенных последовательностей ДНК с какой-либо РНК.
Гибридизация ДНК-ДНК и ДНК-РНК используется как эффективное средство в молеку-лярной генетике.
СИНТЕЗ РНК – ТРАНСКРИПЦИЯ
Прежде чем начнут синтезироваться белки, информацию об их строении необходимо "достать" из ДНК и доставить ее к месту синтеза белков. Этим занимаются информационные или матричные РНК. Одновременно клетке нужны транспортеры аминокислот – транспорт-ные РНК и структурные компоненты органелл, синтезирующих белок, – рибосомальные РНК. Вся информация о строении транспортных и рибосомальных РНК также находится в ДНК.
Поэтому существует процесс переписывания или транскрипции данных с ДНК на РНК (англ. transcription – переписывание) – биосинтез РНК на матрице ДНК.
Как в любом матричном биосинтезе в транскрипции выделяют 5 необходимых элемен-тов:
o матрица – одна из цепей ДНК,
o растущая цепь – РНК,
Матричные биосинтезы 170
o субстрат для синтеза – рибонуклеотиды (УТФ, ГТФ, ЦТФ, АТФ),
o источник энергии – УТФ, ГТФ, ЦТФ, АТФ.
o ферменты РНК-полимеразы и белковые факторы транскрипции.
Биосинтез РНК происходит в участке ДНК, который называется транскриптон, с одного края он ограничен промотором (начало), с другого – терминатором (конец).
РНК-полимеразы эукариот имеют по две больших субъединицы и несколько малых субъединиц.
СТАДИИ ТРАНСКРИПЦИИ
Выделяют три стадии транскрипции: инициация, элонгация и терминация.
Инициация
Промотор содержит стартовый сигнал транскрипции – ТАТА-бокс – определенную по-следовательность нуклеотидов ДНК, связывающую первый фактор инициации ТАТА-фактор. Этот ТАТА-фактор обеспечивает присоединение РНК-полимеразы к той нити ДНК, которая будет использоваться в качестве шаблона для транскрипции (матричная нить ДНК). Так как промотор ассиметричен ("ТАТА"), то он связывает РНК-полимеразу только в одной ориентации, что определяет направление транскрипции от 5'-конца к 3'-концу (5' 3'). Для связывания РНК-полимеразы с промотором необходим еще один фактор иници-ации – -фактор (греч. – "сигма"), но сразу после синтеза затравочного фрагмента РНК (длиной 8-10 рибонуклеотидов) -фактор отрывается от фермента.
Другие факторы инициации раскручивают спираль ДНК перед РНК-полимеразой.
Элонгация
Белковые факторы элонгации обеспечивают продвижение РНК-полимеразы вдоль ДНК и расплетают молекулу ДНК на протяжении примерно 17 нуклеотидных пар. РНК-полимераза продвигается со скоростью 40-50 нуклеотидов в секунду в направлении 5' 3'. Фермент использует АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ одновременно в качестве субстрата и в качестве источника энергии.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 171
Терминация
РНК-полимераза остановится, когда достигнет терминирующих кодонов. С помощью белкового фактора терминации, так называемого -фактора (греч. – "ро"), от матрицы ДНК отделяются фермент и синтезированная молекула РНК, которая является первичным тран-скриптом, предшественником мРНК или тРНК или рРНК.
ПРОЦЕССИНГ РНК
Сразу после синтеза первичные транскрипты РНК по разным причинам еще не имеют активности, являются "незрелыми" и в дальнейшем претерпевают ряд изменений, которые называются процессинг. У эукариот процессингу подвергаются все виды пре-РНК, у прока-риот – только предшественники рРНК и тРНК.
ПРОЦЕССИНГ ПРЕДШЕСТВЕННИКА МРНК
При транскрипции участков ДНК, несущих информацию о белках, образуются гетеро-генные ядерные РНК, по размеру намного превосходящие мРНК. Дело в том, что из-за моза-ичной структуры генов эти гетерогенные РНК включают в себя информативные (экзоны) и неинформативные (интроны) участки.
1. Сплайсинг (англ. splice - склеивать встык) – особый процесс, в котором при участии малых ядерных РНК происходит удаление интронов и сохранение экзонов.
2. Кэпирование (англ. cap – шапка) – происходит еще во время транскрипции. Процесс состоит в присоединении к 5'-трифосфату концевого нуклеотида пре-мРНК 5'-углерода
Матричные биосинтезы 172
N7-метил-гуанозина. "Кэп" необходим для защиты молекулы РНК от экзонуклеаз, работаю-щих с 5'-конца, а также для связывания мРНК с рибосомой и для начала трансляции.
3. Полиаденилирование – при помощи полиаденилат-полимеразы с использованием молекул АТФ происходит присоединение к 3'-концу РНК от 100 до 200 адениловых нуклео-тидов, формирующих поли (А)-хвост. Поли (А)-хвост необходим для защиты молекулы РНК от экзонуклеаз, работающих с 3'-конца.
ПРОЦЕССИНГ ПРЕДШЕСТВЕННИКА РРНК
Предшественники рРНК являются более крупными молекулами по сравнению со зре-лыми рРНК. Их созревание сводится к разрезанию прерибосомной РНК на более мелкие формы, которые уже непосредственно участвуют в формировании рибосомы. У эукариот су-ществуют 5S-, 5,8S-, 18S-, и 28S-рРНК. При этом 5S-рРНК синтезируется отдельно, а большая прерибосомная 45S-РНК расщепляется специфичными нуклеазами с образованием 5,8S-рРНК, 18S-рРНК, и 28S-рРНК.
У прокариот молекулы рибосомальной РНК совсем иные по своим свойствам (5S-, 16S-, 23S-рРНК), что является основой изобретения и использования ряда антибиотиков в меди-цине.
ПРОЦЕССИНГ ПРЕДШЕСТВЕННИКА ТРНК
1. Формирование на 3'-конце последовательности Ц-Ц-А. Для этого у одних пре-тРНК с 3'-конца удаляются лишние нуклеотиды до "обнажения" триплета Ц-Ц-А, у других идет при-соединение этой последовательности.
2. Формирование антикодоновой петли происходит путем сплайсинга и удаления ин-трона в средней части пре-тРНК.
3. Модификация нуклеотидов в молекуле путем дезаминирования, метилирования, восстановления. Например, образование псевдоуридина и дигидроуридина.
РЕГУЛЯЦИЯ ТРАНСКРИПЦИИ
Так как транскрипция связывает ядро – "мозг" клетки, ее "банк знаний" и белки, "рабочих лошадок" клетки, то от качества и активности транскрипции зависит объем синтеза тех или иных белков, жизнедеятельность клетки, ее способность адаптироваться к окружающей обста-новке.
У прокариот и эукариот регуляция транскрипции происходит, естественно, по-разному, хотя некоторые моменты похожи.
Прокариоты
Регуляция биосинтеза белка у прокариот осуществляется на уровне транскрипции мРНК. В настоящее время принята теория оперона, сформулированная Франсуа Жакобом и Жаком Моно. В основе теории лежат следующие понятия:
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 173
o оперон – группа тесно связанных между собой генов, которые программируют образова-ние структурных белков и ферментов в клетке,
o конституитивные гены – те, которые активны в клетках всегда, независимо от ее актив-ности,
o индуцибельные гены – те, которые считываются при необходимости,
o ген-регулятор – ген, регулирующий работу оперона, но не входящий в его состав. Он синтезирует белок-регулятор (чаще называемый белок-репрессор), который может быть в активной или неактивной форме,
o ген-оператор – участок ДНК, способный связываться с белком-регулятором, и "решаю-щий" нужно работать РНК-полимеразе или нет.
Лактозный оперон
Лактозный оперон в целом отвечает за катаболизм лактозы.
При изучении E.coli было замечено, что в клетке может быть две взаимоисключающие ситуации:
o активность одного из ферментов катаболизма лактозы низка, если в среде имеется глю-коза.
o но активность этого фермента резко повышается в обратной ситуации, т.е. при отсут-ствии глюкозы и при наличии лактозы.
На основании этих наблюдений была предложена схема регуляции оперона по меха-низму индукции:
1. В отсутствие лактозы активный белок-репрессор связывается с оператором и блокирует синтез мРНК, кодирующей ферменты катаболизма лактозы. В результате эти ферменты не образуются.
Матричные биосинтезы 174
2. Если глюкозы нет, а лактоза есть, то последняя связывается с белком-репрессором и инги-бирует его, не давая связаться с геном-оператором. Это позволяет РНК-полимеразе считы-вать информацию, отвечающую за синтез ферментов катаболизма лактозы, и синтезиро-вать мРНК.
Таким образом, лактоза является индуктором транскрипции.
Триптофановый оперон
Триптофановый оперон в целом отвечает за синтез триптофана.
Функционирование триптофанового оперона в некотором смысле противоположно лак-тозному. Регуляция осуществляется по механизму репрессии.
1. В отличие от лактозного оперона, белок-репрессор синтез ируется в неактивном состоянии и не может заблокировать транскрипцию генов, кодирующих ферменты синтеза трипто-фана. Синтез этой аминокислоты будет в клетке продолжаться до тех пор, пока в питатель-ной среде не появится триптофан.
2. Триптофан соединяется с белком-репрессором и активирует его. Далее такой активный комплекс присоединяется к гену-оператору и блокирует транскрипцию. Таким образом, при наличии триптофана в среде прекращается его внутриклеточный синтез, экономятся ресурсы и энергия бактериальной клетки.
В этом случае триптофан является репрессором транскрипции.
Эукариоты
Внутриклеточная регуляция
Существенное усложнение эукариотических организмов повлекло за собой появление новых способов регуляции активности транскрипции.
Амплификация – это увеличение количества генов, точнее многократное копирование одного гена. Естественно, все полученные копии равнозначны и одинаково активно обеспечи-вают транскрипцию.
Энхансеры (англ. to enhance - усиливать) – это участки ДНК в 10-20 пар оснований, спо-собные значительно усиливать экспрессию генов той же ДНК. В отличие от промоторов они значительно удалены от транскрипционного участка и могут располагаться от него в любом направлении (к 5'-концу или к 3'-концу). Сами энхансеры не кодируют какие-либо белки, но способны связываться с регуляторными белками (подавляющими транскрипцию).
Сайленсеры (англ. silence – молчание) – участки ДНК, в принципе схожие с энхансе-рами, но они способны замедлять транскрипцию генов, связываясь с регуляторными белками (которые ее активируют).
Перестройка генов. К подобным процессам относится кроссинговер – обмен участ-ками гомологичных хромосом, и более сложный процесс – сайт-специфичная рекомбина-ция, которая изменяет положение и порядок нуклеотидных последовательностей в геноме.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 175
Процессинг мРНК – некоторые пре-мРНК подвергаются разным вариантам сплайсинга (альтернативный сплайсинг) в результате чего образуются разные мРНК, и соответственно, белки с разной функцией.
Изменение стабильности мРНК – чем выше продолжительность жизни мРНК в цито-золе клетки, тем больше синтезируется соответствующего белка.
Лекарственная регуляция
Ингибирование
1. Гетероциклические соединения доксорубицин, дауномицин и актиномицин D обла-дают способностью интеркалировать (встраиваться между нитей молекулы ДНК) между двумя соседними парами оснований Г-Ц. В результате возникает препятствие для движения РНК-полимеразы ("заедание молнии") и остановка транскрипции.
2. Рифампицин связывается с -субъединицей РНК-полимеразы прокариот и ингиби-рует ее. Благодаря такой избирательности действия рифампицин действует только на бактерии и является препаратом для лечения туберкулеза.
3. -Аманитин, октапептид бледной поганки (Amanita phalloides) блокирует РНК-полимеразу II эукариот и предотвращает продукцию мРНК.
Активация
Активация транскрипции используется в клинике намного реже и заключается в приме-нении аналогов стероидных гормонов для достижения анаболического эффекта в органе-ми-шени (см "Гормоны"/"Механизм действия стероидных гормонов").
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
Генетический (биологический) код – это способ перевода четырехзначного (А, Г, У, Ц) языка нуклеотидов в двадцатизначный язык аминокислотной последовательности.
Свойства биологического кода
Триплетность – три нуклеотида формируют кодон, кодирующий аминокислоту. Всего насчитывают 61 смысловой кодон.
Специфичность (или однозначность) – каждому кодону соответствует только одна ами-нокислота.
Вырожденность – одной аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.
Универсальность – биологический код одинаков для всех видов организмов на Земле (однако в митохондриях млекопитающих есть исключения).
Колинеарность – последовательность кодонов соответствует последовательности ами-нокислот в кодируемом белке.
Неперекрываемость – триплеты не накладываются друг на друга, располагаясь рядом.
Отсутствие знаков препинания – между триплетами нет дополнительных нуклеотидов или каких-либо иных сигналов.
Однонаправленность – при синтезе белка считывание кодонов идет последовательно, без пропусков или возвратов назад.
АДАПТОРНАЯ РОЛЬ ТРАНСПОРТНЫХ РНК
Транспортные РНК являются единственным посредником между 4-х буквенной после-довательностью нуклеиновых кислот и 20-ти буквенной последовательностью белков. Именно от наличия того или иного антикодона в тРНК зависит, какая аминокислота включится в бел-ковую молекулу, т.к. ни рибосома, ни мРНК не узнают аминокислоту. Таким образом, адап-торная роль тРНК заключается: 1) в специфичном связывании с аминокислотами, 2) во вклю-чении аминокислот в белковую цепь в соответствии с матрицей мРНК.
Избирательное присоединение аминокислоты к тРНК осуществляется ферментом ами-ноацил-тРНК-синтетазой, имеющей специфичность одновременно к двум соединениям: ка-
Матричные биосинтезы 176
кой-либо аминокислоте и соответствующей ей тРНК. Для реакции требуется две макроэрги-ческие связи АТФ. Аминокислота присоединяется к 3'-концу акцепторной петли тРНК через -карбоксильную группу, и связь между аминокислотой и тРНК становится макроэргиче-ской. -Аминогруппа остается свободной.
Так как существует около 60 различных тРНК, то некоторым аминокислотам соответ-ствует по две или более тРНК. Различные тРНК, присоединяющие одну аминокислоту, назы-вают изоакцепторными.
СИНТЕЗ БЕЛКА – ТРАНСЛЯЦИЯ
Трансляция (англ. translation – перевод) – это биосинтез белка на матрице мРНК.
После переноса информации с ДНК на матричную РНК начинается синтез белков. Каж-дая зрелая мРНК несет информацию только об одной полипептидной цепи. Если клетке необ-ходимы другие белки, то необходимо транскрибировать мРНК с иных участков ДНК.
Биосинтез белков или трансляция происходит на рибосомах, внутриклеточных белок-синтезирующих органеллах, и включает 5 ключевых элементов:
o матрица – матричная РНК,
o растущая цепь – полипептид,
o субстрат для синтеза – 20 протеиногенных аминокислот,
o источник энергии – ГТФ,
o рибосомальные белки, рРНК и белковые факторы.
Выделяют три основных стадии трансляции: инициация, элонгация, терминация.
ИНИЦИАЦИЯ
Для инициации необходимы мРНК, ГТФ, малая и большая субъединицы рибосомы, три белковых фактора инициации (ИФ-1, ИФ-2, ИФ-3), метионин и тРНК для метионина.
В начале этой стадии формируются два тройных комплекса:
o первый комплекс – мРНК + малая субъединица + ИФ-3,
o второй комплекс – метионил-тРНК + ИФ-2 + ГТФ.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 177
После формирования тройные комплексы объединяются с большой субъединицей рибо-сомы. В этом процессе активно участвуют белковые факторы инициации, источником энергии служит ГТФ. После сборки комплекса инициирующая метионил-тРНК связывается с пер-вым кодоном АУГ матричной РНК и располагается в П-центре (пептидильный центр) боль-шой субъединицы. А-центр (аминоацильный центр) остается свободным, он будет задейство-ван на стадии элонгации для связывания аминоацил-тРНК.
После присоединения большой субъединицы начинается стадия элонгации.
ЭЛОНГАЦИЯ
Для этой стадии необходимы все 20 аминокислот, тРНК для всех аминокислот, белковые факторы элонгации, ГТФ. Удлинение цепи происходит со скоростью примерно 20 аминокис-лот в секунду.
Элонгация представляет собой циклический процесс. Второй цикл (и следующие циклы) элонгации включает три шага:
1. Присоединение аминоацил-тРНК (еще второй) к кодону мРНК (еще второму) – аминокис-лота при этом встраивается в А-центр рибосомы. Источником энергии служит ГТФ.
2. Фермент пептидилтрансфераза осуществляет перенос метионина с метионил-тРНК (из П-центра) на вторую аминоацил-тРНК (в А-центре) с образованием пептидной связи между метионином и второй аминокислотой. При этом уже активированная СООН-группа метионина связывается со свободной NH2-группой второй аминокислоты. Здесь источни-ком энергии служит макроэргическая связь между аминокислотой и тРНК.
Матричные биосинтезы 178
3. Фермент транслоказа перемещает мРНК относительно рибосомы таким образом, что пер-вый кодон АУГ оказывается вне рибосомы, второй кодон становится напротив П-центра, напротив А-центра оказывается третий кодон. Для этих процессов необходима затрата энергии ГТФ. Так как вместе с мРНК перемещаются закрепленные на ней тРНК, то ини-циирующая первая тРНК выходит из рибосомы, вторая тРНК с дипептидом помещается в П-центр.
4. Второе повторение цикла – начинается с присоединения третьей аминоацил-тРНК к тре-тьему кодону мРНК, аминокислота-3 становится в А-центр. Далее трансферазная реакции повторяется и образуется трипептид, занимающий А-центр, после чего он смещается в П-центр в транслоказной реакции.
5. В пустой А-центр входит четвертая аминоацил-тРНК и все повторяется.
Цикл элонгации (реакции 1,2,3) повторяется столько раз, сколько аминокислот необхо-димо включить в полипептидную цепь.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 179
ТЕРМИНАЦИЯ
Синтез белка продолжается до тех пор, пока рибосома не достигнет на мРНК особых терминирующих кодонов – стоп-кодонов УАА, УАГ, УГА. Данные триплеты не кодируют ни одной из аминокислот, их также называют нонсенс-кодоны. При вхождении этих кодонов внутрь рибосомы происходит активация белковых факторов терминации, которые последова-тельно катализируют:
1. Гидролитическое отщепление полипептида от конечной тРНК.
2. Отделение от П-центра последней, уже пустой, тРНК.
3. Диссоциацию рибосомы.
Источником энергии для завершения трансляции является ГТФ.
Матричные биосинтезы 180
ПОЛИРИБОСОМЫ
По причине того, что продолжительность жизни матричной РНК невелика, перед клет-кой стоит задача использовать ее максимально эффективно, т.е. получить максимальное коли-чество "белковых копий". Для достижения этой цели на каждой мРНК может располагаться не одна, а несколько рибосом, встающих последовательно друг за другом и синтезирующих пептидные цепи. Такие образования называются полирибосомы.
ПОСТТРАНСЛЯЦИОННАЯ МОДИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ
Чаще всего в результате трансляции полипептидные цепи образуются в неактивной форме, поэтому необходимы дополнительные изменения – процессинг.
К реакциям процессинга относятся:
1. Удаление с N-конца метионина или даже нескольких аминокислот специфичными амино-пептидазами.
2. Образование дисульфидных мостиков между остатками цистеина.
3. Частичный протеолиз – удаление части пептидной цепи, как в случае с инсулином или протеолитическими ферментами ЖКТ.
4. Присоединение химической группы к аминокислотным остаткам белковой цепи:
o фосфорной кислоты – например, фосфорилирование по Сер, Тре, Тир используется при регуляции активности ферментов или для связывания ионов кальция,
o карбоксильной группы – например, при участии витамина К происходит -карбоксили-рование глутамата в составе протромбина, проконвертина, фактора Стюарта, Кристмаса, что позволяет связывать ионы кальция при инициации свертывания крови,
o метильной группы – например, метилирование аргинина и лизина в составе гистонов используется для регуляции активности генома,
o гидроксильной группы – например, образование гидроксипролина и гидроксилизина необходимо для созревания молекул коллагена при участии витамина С,
o йода – например, в тиреоглобулине присоединение йода необходимо для образования предшественников тиреоидных гормонов йодтиронинов,
5. Включение простетической группы:
o углеводных остатков – например, гликирование требуется при синтезе гликопротеинов.
o гема – например, при синтезе гемоглобина, миоглобина, цитохромов, каталазы,
o витаминных коферментов – биотина, ФАД, пиридоксальфосфата и т.п.
6. Объединение протомеров в единый олигомерный белок, например, гемоглобин, лактатде-гидрогеназа, креатинкиназа.
ФОЛДИНГ БЕЛКОВ
Фолдинг – это процесс укладки вытянутой полипептидной цепи в правильную трехмер-ную пространственную структуру. Для обеспечения фолдинга используется группа вспомога-тельных белков под названием шапероны (chaperon, франц. – спутник, нянька). Они предот-вращают взаимодействие новосинтезированных белков друг с другом, изолируют гидрофоб-ные участки белков от цитоплазмы и "убирают" их внутрь молекулы, правильно располагают белковые домены. В целом шапероны способствуют переходу структуры белков от первич-ного уровня до третичного и четвертичного.
При нарушении функции шаперонов и отсутствии фолдинга в клетке формируются бел-ковые отложения – развивается амилоидоз. Насчитывают 15 вариантов амилоидоза.
ЛЕКАРСТВЕННАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ТРАНСЛЯЦИИ
1. Инактивация факторов инициации
o интерферон активирует внутриклеточные протеинкиназы, которые, в свою очередь, фос-форилируют белковый фактор инициации ИФ-2 и подавляют его активность.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 181
2. Нарушение кодон-антикодонового взаимодействия
o стрептомицин присоединяется к малой субъединице и вызывает ошибку считывания первого основания кодона.
3. Блокада стадии элонгации
o тетрациклины блокируют А-центр рибосомы и лишают ее способности связываться с аминоацил-тРНК,
o левомицетин связывается с 50S-частицей рибосомы и ингибирует пептидилтрансферазу,
o эритромицин связывается с 50S-частицей рибосомы и ингибирует транслоказу,
o пуромицин по структуре схож с тирозил-тРНК, входит в А-центр рибосомы и участвует в пептидилтрансферазной реакции, образуя связь с имеющимся пептидом. После этого комплекс пуромицин-пептид отделяется от рибосомы, что останавливает синтез белка.
ГЕНОТИПИЧЕСКАЯ ГЕТЕРОГЕННОСТЬ
В результате того, что каждый ген у человека имеется в двух копиях (аллелях) и может подвергаться мутациям (замена, делеция, вставка) и рекомбинациям, серьезно не затрагиваю-щим функцию кодируемого белка, то возникает полиморфизм генов, и, соответственно, поли-морфизм белков. Возникают целые семейства родственных белков, обладающих схожими, но неодинаковыми свойствами и функцией.
Например, существует около 300 разных типов гемоглобина, часть из них является не-обходимой на разных этапах онтогенеза: например, HbP – эмбриональный, образуется в пер-вый месяц развития, HbF – фетальный, необходим на более поздних сроках развития плода, HbA и HbA2 – гемоглобин взрослых. Разнообразие обеспечивается полиморфизмом глобино-вых цепей: в гемоглобине P присутствуют 2α и 2 цепи, в HbF – 2- и 2- цепи, в HbА – 2- и 2-цепи, в HbА2 – 2- и 2-цепи.
Группы крови АВ0 зависят от строения особого углевода на мембране эритроцитов. Лица с группой крови А0 на эритроците имеют олигосахарид с присоединенным к нему N-ацетилгалактозамином, с группой крови В0 – олигосахарид с галактозой, 00 – имеют только "чистый" олигосахарид, с группой крови АВ – олигосахарид и с N-ацетилгалактозамином, и с галактозой. Такие различия обусловлены разной специфичностью и активностью фермента гликозил-трансферазы, способного модифицировать исходный олигосахарид.
Белки главного комплекса гистосовместимости обеспечивают трансплантационную несовместимость тканей. Они обладают чрезвычайно высоким полиморфизмом, в целом насчитывают несколько миллионов аллелей этих белков. Благодаря такому разнообразию каж-дый человек обладает практически уникальным набором аллелей.
СТРОЕНИЕ И ОБМЕН УГЛЕВОДОВ
Углеводы являются наиболее распространенным классом органических соединений при-роды.
ФУНКЦИИ УГЛЕВОДОВ
Резервно-энергетическая – глюкоза является моносахаридом, способным отклады-ваться в виде крахмала (растительные клетки) или в виде гликогена (животные клетки). Боль-шое преимущество углеводов (по сравнению с жирными кислотами) состоит в их способности окисляться как в аэробных, так и в анаэробных условиях (гликолиз),
Защитно-механическая – основное вещество трущихся поверхностей суставов, нахо-дятся в сосудах и слизистых оболочках (гиалуроновая кислота и другие гликозаминогликаны),
Опорно-структурная – целлюлоза в растениях, гликозаминогликаны в составе про-теогликанов, например, хондроитинсульфат в соединительной ткани,
Гидроосмотическая и ионрегулирующая – гетерополисахариды обладают высокой гидрофильностью, отрицательным зарядом и, таким образом, удерживают Н2О, ионы Са2+, Mg2+, Na+ в межклеточном веществе, обеспечивают тургор кожи, упругость тканей,
Кофакторная – гепарин является кофактором липопротеинлипазы плазмы крови (уча-стие в обмене липопротеинов) и фермента антикоагулянтной системы крови - антитромбина III.
КЛАССИФИКАЦИЯ
Согласно современной классификации углеводы подразделяются на три основные группы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды.
Моносахариды подразделяются на альдозы и кетозы в зависимости от наличия альде-гидной или кетогруппы. Альдозы и кетозы, в свою очередь, разделяются в соответствии с чис-лом атомов углерода в молекуле: триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т.д.
Олигосахариды делятся по числу моносахаридов в молекуле: дисахариды, трисахариды и т.д.
Полисахариды подразделяют на гомополисахариды, т.е. состоящие из одинаковых мо-носахаров, и гетерополисахариды, состоящие из различных моносахаров.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 183
МОНОСАХАРИДЫ
Моносахариды – это углеводы, которые не могут быть гидролизованы до более простых форм углеводов. В свою очередь они подразделяются:
o на стереоизомеры по конформации асимметричных атомов углерода – например, L- и D-формы,
o в зависимости от расположения НО-группы первого атома углерода – - и -формы,
o в зависимости от числа содержащихся в их молекуле атомов углерода – триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы, октозы,
o в зависимости от присутствия альдегидной или кетоновой группы – кетозы и альдозы.
Альдозы
Кетозы
Триозы
Тетрозы
Пентозы
Гексозы
Строение и обмен углеводов 184
ПРОИЗВОДНЫЕ МОНОСАХАРИДОВ
В природе существуют многочисленные производные как перечисленных выше моноса-харов, так и других. К ним, например, относятся:
Уроновые кислоты – дериваты гексоз, имеющие в 6 положении карбоксильные группы, например, глюкуроновая, галактуроновая, идуроновая, аскорбиновая кислоты.
Аминосахара – производные моносахаров, содержащие аминогруппы, например, глю-козамин или галактозамин. Эти производные обязательно входят в состав дисахаридных ком-понентов гетерополисахаридов. Ряд антибиотиков (эритромицин, карбомицин) содержат в своем составе аминосахара.
Сиаловые кислоты являются N- или O-ацил-произ–водными нейраминовой кислоты, которую можно рассматривать как производное глюкозы. Они, наряду с аминосахарами, входят в состав гликопротеинов и гликолипидов (ганглиозидов).
Гликозиды – соединения, образующиеся путем конденса-ции моносахарида (свободного или в составе полисахарида) с гидроксильной группой другого соединения, которым может быть любой моносахарид или вещество неуглеводной природы (агликон), например, метанол, глицерол, стерол, фенол.
ДИСАХАРИДЫ
Дисахариды – это углеводы, которые при гидролизе дают две одинаковые или различные молекулы моносахарида.
Сахароза – пищевой сахар, в которой остатки -глюкозы и -фруктозы связаны 1,2-гликозидной связью. Присутствует в большинстве фруктов, в ягодах и в некоторых ово-щах, в наибольшем количестве содержится в сахарной свекле и сахарном тростнике, в мор-кови, ананасах, сорго.
Мальтоза – промежуточный продукт гидролиза крахмала и гликогена, в ней два остатка -глюкозы связаны 1,4-гликозидной связью, содержится в солоде, проростках злаков.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 185
Лактоза – содержится в молоке (до 4-6%), в ней остаток -галактозы связан с - или -глюкозой 1,4-гликозидной связью. В некоторых ситуациях (например, беременность) мо-жет появляться в моче.
Целлобиоза – промежуточный продукт гидролиза целлюлозы в кишечнике, в ней остатки -глюкозы связаны 1,4-гликозидной связью. Здоровая микрофлора кишечника спо-собна гидролизовать до 3/4 поступающей сюда целлюлозы до свободной глюкозы, которая либо потребляется самими микроорганизмами, либо всасывается в кровь.
ПОЛИСАХАРИДЫ
Выделяют гомополисахариды, состоящие из одинаковых остатков моносахаров (крах-мал, гликоген, целлюлоза) и гетерополисахариды (гиалуроновая кислота, хондроитинсуль-фаты), включающие разные моносахара.
ГОМОПОЛИСАХАРИДЫ
Крахмал – гомополимер αD-глюкозы. Находится в злаках, бобовых, картофеле и неко-торых других овощах. Синтезировать крахмал способны почти все растения.
Двумя основными компонентами крахмала являются амилоза (15-20%) и амилопектин (80-85%). Амилоза представляет собой неразветвленную цепь с молекулярной массой от 5 до 500 кДа, в которой остатки глюкозы соединены исключительно α1,4-гликозидными связями. Амилопектин содержит α1,4- и α1,6-гликозидные связи, имеет массу не менее 1 млн Да и яв-ляется разветвленной молекулой, причем ветвление происходит за счет присоединения не-больших глюкозных цепочек к основной цепи посредством α1,6-гликозидных связей. Каждая ветвь имеет длину 24-30 остатков глюкозы, веточки возникают примерно через 14-16 остатков глюкозы в цепочке.
Строение и обмен углеводов 186
Гликоген – резервный полисахарид животных, находится в цитоплазме многих типов клеток, но в наибольшей мере в гепатоцитах и миоцитах. Структурно он схож с амилопекти-ном, но, во-первых, длина веточек меньше – 11-18 остатков глюкозы, и во-вторых, он более разветвлен – через каждые 8-10 остатков. За счет этих особенностей гликоген более компактно уложен, что немаловажно для животной клетки.
Целлюлоза состоит из остатков -глюкозы, единственной связью в целлюлозе является β1,4-гликозидная связь. Она является наиболее распространенным органическим соединением биосферы, около половины всего углерода Земли находится в ее составе. В отличие от преды-дущих полисахаридов целлюлоза является внеклеточной молекулой, имеет волокнистую структуру и абсолютно нерастворима в воде.
ГЕТЕРОПОЛИСАХАРИДЫ
Основными представителями гликозаминогликанов является гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты, кератансульфаты и дерматансульфаты, гепарин. Большинство из них характеризуется наличием повторяющихся дисахаридных остатков.
Гиалуроновая кислота состоит из повторяющихся дисахаридных звеньев: глюкуроно-вая кислота и N-ацетилглюкозамин, соединенные 1,3-гликозидной связью. Хондроитин-4-сульфат включает повторяющееся дисахаридное звено: глюкуроновая кислота и 4-сульфат-N-ацетилгалактозамин, соединенные 1,3-гликозидной связью.
Дисахариды включают в себя уроновую кислоту и аминосахар. Дублируясь, дисахариды образуют олиго- и полисахаридные цепи – гликаны. В биохимии используются синонимы – кислые гетерополисахариды (имеют много кислотных групп) и гликозаминогликаны (про-изводные глюкозы, содержат аминогруппы). Эти молекулы входят в состав протеогликанов (мукополисахаридов) – сложных белков, функцией которых является заполнение межклеточ-ного пространства и удержание здесь воды, также они выступают как смазочный и структур-ный компонент суставов, хрящей, кожи. В частности, гиалуроновая кислота находится в стек-ловидном теле глаза, в синовиальной жидкости, в межклеточном пространстве.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 187
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УГЛЕВОДОВ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ
1. Экспериментальная биология: для хроматографии используются декстраны – резервный полисахарид дрожжей и бактерий, состоящий из остатков αглюкозы. В декстранах основ-ным типом связи является α1,6-гликозидная, а в местах ветвления – α1,2-, α1,3-, α1,4-гли-козидные связи.
2. Лабораторная диагностика: полисахарид фруктозы инулин, содержащийся в корнях ге-оргинов, артишоков, одуванчиков, является легко растворимым соединением. В медицин-ской практике используется для определения очистительной способности почек – кли-ренса.
3. Клиническая медицина:
o декстраны используются как компонент кровезаменителей, например, в виде вязкого раствора на 0,9% NaCl – реополиглюкина,
o сердечные гликозиды применяются в кардиологии, в качестве агликона они содержат стероиды,
o при заболеваниях позвоночника и суставов широкое применение нашли препараты, со-держащие хондроитинсульфат и глюкозамины,
o при нарушении функции кишечника используются кристаллическая целлюлоза, лакту-лоза, хитин (полимер 1,4-N-ацетилглюкозамина) как стимуляторы перистальтики, цел-люлоза и хитин могут использоваться и в качестве адсорбента,
o гепарин и его производные назначаются в качестве антикоагулянтов при сосудистых проблемах,
o инфекционные заболевания лечатся гликозидными антибактериальными средствами, например, стрептомицин, эритромицин.
ВНЕШНИЙ ОБМЕН УГЛЕВОДОВ
Потребность в углеводах взрослого организма составляет 350-400 г в сутки, при этом целлюлозы и других пищевых волокон должно быть не менее 30-40 г.
С пищей в основном поступают крахмал, гликоген, целлюлоза, сахароза, лактоза, маль-тоза, глюкоза и фруктоза, рибоза.
РОТОВАЯ ПОЛОСТЬ
Здесь находится кальций-содержащий фермент α-амилаза. Оптимум ее рН 7,1-7,2, акти-вируется ионами Cl–. Являясь эндогликозидазой, она беспорядочно расщепляет внутренние α1,4-гликозидные связи и не влияет на другие типы связей.
В ротовой полости крахмал и гликоген способны расщепляться α-амилазой до декстри-нов – разветвленных (с α1,4- и α1,6-связями) и неразветвленных (с α1,4-связями) олигосаха-ридов. Дисахариды ничем не гидролизуются.
ЖЕЛУДОК
Из-за низкой рН амилаза инактивируется, хотя некоторое время расщепление углеводов продолжается внутри пищевого комка.
КИШЕЧНИК
Для переваривания полисахаридов в полости тонкого кишечника работает панкреатиче-скя α-амилаза, разрывающая в ранее образованных (слюнной амилазой) декстринах, в крах-мале и гликогене внутренние α1,4-связи.
Строение и обмен углеводов 188
Кроме полостного, имеется еще и пристеночное пищеварение, которое осуществляют:
o сахаразо-изомальтазный комплекс (рабочее название сахараза) – в тощей кишке гид-ролизует 1,2-, 1,4-, 1,6-гликозидные связи, расщепляет сахарозу, мальтозу мальтот-риозу, изомальтозу,
o -гликозидазный комплекс (рабочее название лактаза) – гидролизует 1,4-гликозид-ные связи между галактозой и глюкозой (лактозу). У детей активность лактазы очень вы-сока уже до рождения и сохраняется на высоком уровне до 5-7 лет, после чего снижается,
o гликоамилазный комплекс – находится в нижних отделах тонкого кишечника и расщеп-ляет 1,4-гликозидные связи в олигосахаридах с восстанавливающего конца.
ПЕРЕВАРИВАНИЕ УГЛЕВОДОВ У ДЕТЕЙ
У детей первого года жизни из-за недостаточной кислотности желудка слюнная α-ами-лаза способна попадать в тонкую кишку и участвовать в пищеварении. Поэтому, несмотря на то, что активность -амилазы поджелудочной железы у новорожденных довольно низкая, младенцы удовлетворительно способны переваривать полисахариды, в том числе и молочных смесей. К концу первого года жизни активность панкреатической -амилазы возрастает в 25 раз, к периоду половой зрелости – в 50 раз.
Еще одной особенностью переваривания углеводов у младенцев является разная ско-рость гидролиза -лактозы и -лактозы. -Лактоза, присутствующая в женском молоке, не полностью гидролизуется в тонкой кишке и не вызывает сильной гипергликемии. Часть -лак-тозы достигает нижних отделов тонкой кишки и толстого кишечника и предопределяет, в числе других достоинств грудного вскармливания, развитие оптимальной кишечной микро-флоры. В коровьем молоке преобладает -лактоза, которая легко расщепляется уже в верх-них отделах тонкого кишечника и полученные моносахара быстро всасываются, что приводит к более высокой гипергликемии.
НАРУШЕНИЯ ПЕРЕВАРИВАНИЯ ДИСАХАРИДОВ
Существуют две наиболее встречающиеся формы нарушения переваривания дисахари-дов в кишечнике – дефект лактазы и сахаразы.
Приобретенные формы недостаточности переваривания углеводов возникают в резуль-тате заболеваний стенок ЖКТ, когда нарушается образование ферментов и их размещение на щеточной каемке энтероцитов. К тому же ухудшается всасывание моносахаров.
При наследственной патологии лактазы симптомы проявляются после первых корм-лений; патология сахаразы обнаруживается позднее, при введении в рацион сладкого.
Недостаточность лактазы может быть не только у младенцев, но также у подростков и взрослых в результате естественного процесса снижения синтеза фермента в онтогенезе.
Патогенез. Отсутствие гидролиза соответствующих дисахаридов приводит к осмотиче-скому эффекту и задержке воды в просвете кишечника. Кроме этого, сахара активно потреб-ляются микрофлорой толстого кишечника и метаболизируют с образованием органических кислот (масляная, молочная) и газов. Из-за этого симптомами лактазной или сахаразной недо-статочности являются диарея, рвота, метеоризм, вспучивание живота, его спазмы и боли.
Диагностика. Дифференциальная диагностика нарушений переваривания и всасыва-ния заключается в контроле уровня глюкозы крови после раздельного приема дисахаридов и эквивалентного количества моносахаридов. Незначительный подъем концентрации глюкозы крови в первом случае указывает на нехватку ферментов, во втором – на нарушение всасыва-ния.
Основы лечения. Исключение из рациона молока или продуктов с добавлением сахара в зависимости от типа непереносимого углевода.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 189
РОЛЬ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ В ПИЩЕВАРЕНИИ
Целлюлоза ферментами человека не переваривается, т.к. не синтезируются соответству-ющие ферменты. Но в толстом кишечнике под действием ферментов микрофлоры некоторая часть ее может гидролизоваться с образованием целлобиозы и глюкозы. Глюкоза частично используется самой микрофлорой и окисляется до органических кислот (масляной, молочной), которые стимулируют перистальтику кишечника.
Основная роль целлюлозы для человека:
o стимулирование перистальтики кишечника,
o формирование каловых масс,
o стимуляция желчеотделения,
o абсорбция холестерола и других веществ, что препятствует их всасыванию.
ПЕРЕНОС ГЛЮКОЗЫ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ
ВСАСЫВАНИЕ В КИШЕЧНИКЕ
Всасывание моносахаридов происходит по механизму вторичного активного транс-порта. Это значит, что затрата энергии при переносе сахаров происходит, но тратится она не непосредственно на транспорт сахара, а на создание градиента концентрации другого веще-ства. В случае глюкозы таким веществом являются ионы натрия.
Фермент базолатеральной мембраны Na+,К+-АТФаза постоянно, в обмен на ионы калия, выкачивает ионы натрия из клетки, именно этот транспорт требует затрат энергии. В просвете кишечника содержание натрия относительно высоко, и он связывается со специфическим мем-бранным белком, имеющим два центра связывания: один для ионов натрия, другой для моно-сахарида. Примечательно то, что моносахарид связывается с белком только после того, как с ним свяжется ион Na+. Далее белок-транспортер свободно мигрирует в толще мембраны. При контакте белка с цитоплазмой натрий быстро отделяется от него по градиенту концентрации и сразу отделяется моносахарид. Результатом является накопление моносахарида в клетке, а ионы натрия выкачиваются Na+,К+-АТФазой.
Строение и обмен углеводов 190
Выход глюкозы из клетки в межклеточное пространство и далее кровь происходит бла-годаря облегченной диффузии.
ТРАНСПОРТ ИЗ КРОВИ ЧЕРЕЗ КЛЕТОЧНЫЕ МЕМБРАНЫ
Из крови внутрь клеток глюкоза попадает при помощи облегченной диффузии – по гра-диенту концентрации с участием белков-переносчиков (глюкозных транспортеров "ГлюТ"). Различают 12 типов транспортеров глюкозы, расположенных на мембранах различных клеток.
В печени и эпителии кишечника присутствует ГлюТ-2, всегда присутствующий на мембране и обладающий способностью пропускать глюкозу в обе стороны – как внутрь клетки, так и наружу.
В мышцах и жировой ткани находится ГлюТ-4, только эти транспортеры являются чувствительными к влиянию инсулина – при действии инсулина на клетку они поднимаются к поверхности мембраны и переносят глюкозу внутрь. Именно поэтому данные ткани полу-чили название инсулинзависимых.
Некоторые ткани совершенно нечувствительны к действию инсулина, их называют ин-сулиннезависимыми. К ним относятся нервная ткань, стекловидное тело, хрусталик, сет-чатка, клубочковые клетки почек, эндотелиоциты, семенники и эритроциты.
Большинство клеток занимает промежуточное положение, т.е. на их мембранах нахо-дятся разные типы транспортеров.
РЕАКЦИИ ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЯ САХАРОВ
Поскольку в кишечнике всасываются все поступающие с пищей моносахариды (фрук-тоза, галактоза, манноза и т.п.), то перед организмом встает задача превратить полученные гексозы в глюкозу для ее дальнейшего использования в реакциях метаболизма. Этот процесс получил название взаимопревращение сахаров. Цель его – создание только одного субстрата для реакций метаболизма, а именно -D-глюкозы, что позволяет сэкономить ресурсы, не об-разовывать множество ферментов для каждого вида сахара. Реакции протекают в эпителии кишечника и в гепатоцитах.
ПРЕВРАЩЕНИЕ ГАЛАКТОЗЫ В ГЛЮКОЗУ
Галактоза сначала подвергается фосфорилированию по 1-му атому углерода. Далее в реакции с УДФ-глюкозой происходит перемещение УМФ на галактозо-1-фосфат и получается УДФ-галактоза, которая впоследствии эпимеризуется в УДФ-глюкозу. УДФ-глюкоза отдает УМФ на привносимый галактозо-1-фосфат и превращается в глюкозо-1-фосфат, глюкозо-6-фосфат и глюкозу.
НАРУШЕНИЯ ПРЕВРАЩЕНИЯ ГАЛАКТОЗЫ
Нарушения обмена галактозы у детей могут быть вызваны генетическим дефектом од-ного из ферментов:
o галактозо-1-фосфат-уридилтрансферазы, частота дефекта 1:40000,
o галактокиназы, частота дефекта 1:500000,
o эпимеразы, частота дефекта реже 1:1000000.
Заболевание, возникающее при этих нарушениях, получило название галактоземия.
Диагностика. Дети отказываются от еды. Концентрация галактозы в крови возрастает до 11,1-16,6 ммоль/л (норма 0,3-0,5 ммоль/л), в крови появляется галактозо-1-фосфат. К лабо-раторным критериям относятся также билирубинемия, галактозурия, протеинурия, гиперами-ноацидурия, накопление гликозилированного гемоглобина.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 191
Патогенез. Избыток галактозы превращается в спирт галактитол (дульцитол), накапли-вающийся в хрусталике и осмотически привлекающий сюда воду. Изменяется солевой состав, нарушается конформация белков хрусталика, что приводит к катаракте в молодом возрасте. Катаракта возможна даже у плодов матерей, которые больны галактоземией и употреблявших молоко во время беременности.
При дефекте галактозо-1-фосфат-уридилтрансферазы АТФ постоянно расходуется на фосфорилирование галактозы и дефицит энергии угнетает активность многих ферментов, "токсически" действуя на все клетки, особенно на нейроны, гепатоциты, нефроциты. Как ре-зультат, возможны задержка психомоторного развития, умственная отсталость, некроз гепа-тоцитов и цирроз печени. В почках и кишечнике избыток галактозы и ее метаболитов ингиби-рует всасывание аминокислот.
Основы лечения. Исключение из рациона молока и других источников галактозы поз-воляет предотвратить развитие патологических симптомов. Однако сохранность интеллекта может быть достигнута только при ранней, не позднее первых 2 месяцев жизни, диагностике и вовремя начатом лечении.
ПРЕВРАЩЕНИЕ ФРУКТОЗЫ В ГЛЮКОЗУ
Реакции перехода фруктозы в глюкозу достаточно просты. Сначала происходит актива-ция фруктозы посредством фосфорилирования: 6-го атома углерода при помощи гексоки-назы или 1-го атома углерода при участии фруктокиназы. При этом гексокиназа имеет го-раздо более низкое сродство к фруктозе. Фруктозо-6-фосфат далее изомеризуется и глюкозо-6-фосфатаза отщепляет уже ненужный фосфат.
Если образуется фруктозо-1-фосфат, то он при участии альдолазы разделяется на гли-церальдегид и диоксиацетонфосфат. Далее глицеральдегид фосфорилируется триозокиназой.
Строение и обмен углеводов 192
У полученных триозофосфатов есть альтернатива:
o либо использоваться в гликолизе,
o либо объединяться во фруктозо-1,6-дифосфат, дефосфорилироваться в фруктозо-6-фос-фат, изомеризоваться в глюкозо-6-фосфат и далее превращаться в свободную глюкозу.
При первом варианте фруктоза используется в печени как энергетический субстрат или для синтеза жиров. Второй вариант подразумевает получение глюкозо-6-фосфата или глюкозы и их использование в каких-либо целях.
Особенностью мышц является отсутствие фруктокиназы, поэтому фруктоза в них пре-вращается сразу в фруктозо-6-фосфат и поступает в реакции гликолиза или синтеза гликогена.
Особенностью метаболизма фруктозы является то, что фермент фруктокиназа является инсулин-независимым. В результате в печени превращение фруктозы в пировиноградную кислоту и ацетил-SКоА происходит быстрее, чем для глюкозы. Это объясняется "игнорирова-нием" лимитирующей реакции метаболизма глюкозы, катализируемой фосфофруктокина-зой. Дальнейший метаболизм ацетил-SКоА в данном случае может привести к избыточному образованию жирных кислот и триацилглицеролов.
НАРУШЕНИЯ ПРЕВРАЩЕНИЯ ФРУКТОЗЫ
Эссенциальная фруктозурия
Генетический дефект фруктокиназы приводит к доброкачественной эссенциальной фруктозурии, протекающей безо всяких отрицательных симптомов.
Наследственная фруктозурия
Заболевание формируется вследствие наследственных аутосомно-рецессивных дефектов других ферментов обмена фруктозы.
Дефект фруктозо-1-фосфат альдолазы, которая в норме присутствует в печени, кишеч-нике и корковом веществе почек, проявляется после введения в рацион младенца соков и
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 193
фруктов, содержащих фруктозу и сахарозу. Патогенез связан со снижением мобилизации гликогена из-за ингибирования гликогенфосфорилазы фруктозо-1-фосфатом и ослаблением глюконеогенеза, т.к. дефектный фермент способен участвовать в реакциях аналогично фрук-тозо-1,6-дифосфат альдолазе. Проявляется заболевание снижением концентрации фосфатов в крови, гиперфруктоземией, тяжелой послепищевой гипогликемией. Отмечается вялость, нарушения сознания, почечный канальцевый ацидоз.
Дефект фруктозо-1,6-дифосфатазы проявляется сходно с предыдущим, но не так тя-жело.
ПРЕВРАЩЕНИЕ ГЛЮКОЗЫ В ФРУКТОЗУ
Превращение глюкозы в фруктозу происходит в полиоловом пути метаболизма глю-козы. Для обеспечения реакций этого пути в клетках присутствует фермент альдозоредук-таза, которая превращает глюкозу в сорбитол. Обычно в данную реакцию попадает не более 1% глюкозы, и она используется для получения фруктозы в процессе синтеза глюкозаминов.
Отдельное значение путь имеет в семенных пузырьках, которые синтезируют фруктозу для семенной жидкости. Сперматозоиды, находящиеся здесь, используют фруктозу в каче-стве основного энергетического субстрата, но при переходе в женские половые пути переклю-чаются на глюкозу. Считается, что использование фруктозы повышает стабильность и предот-вращает преждевременное разрушение акросомы спермия.
Клиническая значимость полиолового пути проявляется в инсулиннезависимых тка-нях, в которые глюкоза поступает неконтролируемо по градиенту концентрации – эндотелий, хрусталик глаза, клетки клубочков почек, но, в первую очередь, нейроны. Путь активируется при гипергликемиях, когда поток глюкозы в клетки увеличивается и скорость синтеза сор-битола резко возрастает.
Накопление сорбитола в нейронах подавляет синтез циклического спирта инозитола, входящего в состав фосфолипидов и используемого при передаче гормонального сигнала, и снижает активность Na+,K+-АТФазы, что нарушает проведение нервного импульса. Избыток в клетке осмотически активных сорбитола и фруктозы удерживает воду, изменяет форму клеток и их функциональную активность.
Также избыточная работа альдозоредуктазы приводит к расходованию НАДФН в клет-ках, что снижает активность ряда процессов, например, восстановление глутатиона в работе антиоксидантных систем, синтез вазодилататора оксида азота (NO), нейтрализация аммиака в реакции восстановительного аминирования α-кетоглутарата, микросомальное окисление.
СУДЬБА И ИСТОЧНИКИ ГЛЮКОЗЫ В КЛЕТКЕ
Наличие глюкозы в клетке обеспечивается, в первую очередь, проникновением ее из крови. Также почти все клетки имеют запасы гликогена, который используется как внутри-клеточный резерв глюкозы. В то же время печеночные клетки и почки обладают способностью синтезировать глюкозу из неуглеводных компонентов (глюконеогенез).
Строение и обмен углеводов 194
После проникновения в клетку глюкоза способна превращаться по различным направле-ниям:
o часть глюкозы обязательно используется в энергетическом обмене, она сгорает в реак-циях катаболизма для синтеза АТФ,
o при достаточно большом количестве в клетке глюкоза запасается в виде гликогена, к синтезу гликогена способны большинство тканей,
o в гепатоцитах (при высокой концентрации) и в адипоцитах глюкоза перенаправляется на синтез триацилглицеролов и, например, в печени, на синтез холестерола,
o при определенных условиях часть глюкозы идет в реакции пентозофосфатного пути, в котором образуются рибозо-5-фосфат и НАДФН,
o некоторая доля глюкозы используется для синтеза гликозаминов и далее структурных или иных гетерополисахаридов.
ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ-ДЕФОСФОРИЛИРОВАНИЕ ГЛЮКОЗЫ
Попав в любую клетку, глюкоза немедленно фосфорилируется ферментом гексокина-зой и уже не может выйти из клетки. Поэтому гексокиназа получила название "ловушка для глюкозы". Фосфорилирование глюкозы решает сразу несколько задач:
o фосфатный эфир глюкозы не в состоянии выйти из клетки, так как молекула отрица-тельно заряжена и отталкивается от фосфолипидной поверхности мембраны,
o наличие заряженной группы обеспечивает правильную ориентацию молекулы в актив-ном центре фермента,
o уменьшается концентрация свободной (нефосфорилированной) глюкозы, что способ-ствует диффузии новых молекул из крови.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 195
Дефосфорилирование глюкозы осуществляется глюкозо-6-фосфатазой. Этот фермент есть только в печени и почках. В эпителии канальцев почек работа фермента тесно связана с реабсорбцией глюкозы и разных амино- и кетокислот (см "Глюконеогенез"). В гепатоцитах фермент необходим, т.к. печень поддерживает постоянство концентрации глюкозы в крови при голодании и мышечных нагрузках.
Особенности гексокиназы
Существуют принципиальные отличия метаболизма глюкозы в печени от других тканей. Это объясняется рядом причин и, в частности, наличием в тканях различных изоферментов гексокиназы. Для печени характерен особый изофермент гексокиназа IV, получивший соб-ственное название – глюкокиназа. Отличиями этого фермента от гексокиназ других тканей являются:
o низкое сродство к глюкозе (в 1000 раз меньше), что ведет к захвату глюкозы печенью только при ее высокой концентрации в крови (после еды). Иными словами, печень не будет использовать глюкозу, если её концентрация в крови невысока (в нормальном диа-пазоне).
o продукт реакции (глюкозо-6-фосфат) не ингибирует фермент, в то время как в других тканях гексокиназа чувствительна к такому влиянию. Это позволяет гепатоциту в еди-ницу времени захватывать глюкозы больше, чем он может сразу же утилизовать,
o чувствительность к действию инсулина – фермент активируется этим гормоном.
Благодаря таким отличиям гепатоцит может эффективно захватывать глюкозу после еды, накапливать глюкозо-6-фосфат и, "не торопясь", метаболизировать его в любом направлении – синтез гликогена, пентозофосфатный путь, окисление до ацетил-SКоА, CO2 и H2O, и синтез липидов.
МЕТАБОЛИЗМ ГЛИКОГЕНА
Наибольшие запасы гликогена имеются в печени и скелетных мышцах, но вообще гли-коген способен синтезироваться почти во всех тканях. Резервы гликогена в клетках использу-ются в зависимости от их функциональных особенностей.7
В мышцах количество гликогена снижается обычно только во время физической нагрузки – длительной и/или напряженной. Накопление гликогена здесь отмечается в период восстановления, особенно, если восстановление сопровождается приемом богатой углеводами пищи. И, конечно, количество гликогена в миоците снижается (как и во всех других клетках) во время голодания.
Гликоген печени расщепляется при снижении концентрации глюкозы в крови, прежде всего между приемами пищи. Через 12-18 часов голодания запасы гликогена в печени полно-стью истощаются. Накапливается гликоген в печени только после еды, при гипергликемии. Это объясняется особенностями глюкокиназы, которая имеет низкое сродство к глюкозе и мо-жет работать исключительно при ее высоких концентрациях в крови.
Строение и обмен углеводов 196
СИНТЕЗ ГЛИКОГЕНА
Синтез гликогена начинается с образования глюкозо-6-фосфата под действием глюко-киназы в печени или других гексокиназ в остальных тканях. Как уже говорилось, глюкоки-наза обладает низким сродством к глюкозе, и в гепатоцитах глюкоза будет задерживаться только при ее высоких концентрациях.
Непосредственно синтез гликогена осуществляют следующие ферменты:
1. Фосфоглюкомутаза – превращает глюкозо-6-фосфат в глюкозо-1-фосфат.
2. Глюкозо-1-фосфат-уридилтрансфераза – фермент, осуществляющий ключевую ре-акцию синтеза. Необратимость этой реакции обеспечивается гидролизом образующегося дифосфата.
3. Гликогенсинтаза – образует α1,4-гликозидные связи и удлиняет гликогеновую це-почку, присоединяя активированный С1 УДФ-глюкозы к С4-глюкозы на концевом участке гликогена.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 197
4. Амило-1,4-1,6-гликозилтрансфераза, "гликоген-ветвящий" фермент – переносит фрагмент с минимальной длиной в 6 остатков глюкозы на соседнюю цепь с образованием 1,6-гликозидной связи.
МОБИЛИЗАЦИЯ ГЛИКОГЕНА
Мобилизация гликогена (гликогенолиз) в тканях активируется при недостатке свобод-ной глюкозы в клетке, а значит и в крови (голодание, мышечная работа). При этом уровень глюкозы крови "целенаправленно" поддерживает только печень, в которой имеется глю-козо-6-фосфатаза, гидролизующая фосфатный эфир глюкозы. Образуемая при этом свободная глюкоза выходит через плазматическую мембрану в кровь. Остальные органы используют гликоген только для собственных нужд.
В гликогенолизе непосредственно участвуют три фермента:
1. Фосфорилаза гликогена (кофермент пиридоксальфосфат) – расщепляет α1,4-глико-зидные связи с образованием глюкозо-1-фосфата. Фермент работает до тех пор, пока до точки ветвления α(1-6) не останется 4 остатка глюкозы.
2. α(1-4)-α(1-4)-Глюкантрансфераза – фермент, переносящий фрагмент из трех остат-ков глюкозы на другую цепь с образованием новой α1,4-гликозидной связи. При этом на преж-нем месте остается один остаток глюкозы и "открытая" доступная α1,6-гликозидная связь.
Строение и обмен углеводов 198
3. Амило-α1,6-глюкозидаза, "деветвящий" фермент – гидролизует α1,6-гликозидную связь с высвобождением свободной (нефосфорилированной) глюкозы. В результате образу-ется цепь без ветвлений, служащая субстратом для фосфорилазы.
РЕГУЛЯЦИЯ ОБМЕНА ГЛИКОГЕНА
Метаболизм гликогена в печени регулируется несколькими гормонами, одни из которых активируют ферменты синтеза гликогена, а другие – ферменты распада гликогена. Основные ферменты метаболизма гликогена активны либо в фосфорилированной, либо в дефосфорили-рованной форме.
Присоединение фосфатов к ферментам производят протеинкиназы, источником фос-фата является АТФ:
o фосфорилаза гликогена активируется после присоединения фосфатной группы,
o синтаза гликогена после присоединения фосфата инактивируется.
Фосфорилирование указанных ферментов начинается после воздействия на клетку адре-налина, глюкагона и некоторых других гормонов. В результате адреналин и глюкагон вызы-вают гликогенолиз, активируя фосфорилазу гликогена.
Дефосфорилирование этих ферментов осуществляют протеинфосфатазы. Активатором протеинфосфатаз, через сложный внутриклеточный механизм передачи сигнала, выступает инсулин. Таким способом инсулин запускает синтез гликогена за счет быстрой активации гликогенсинтазы и инактивации гликогенфосфорилазы.
Одновременно инсулин и глюкокортикоиды увеличивают синтез гликогена, увеличи-вая количество молекул гликогенсинтазы.
Для регуляции активности фосфорилазы и синтазы гликогена используется особый кас-кадный аденилатциклазный механизм (см ниже).
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 199
АКТИВАЦИЯ ФОСФОРИЛАЗЫ ГЛИКОГЕНА
Скорость гликогенолиза лимитируется только скоростью работы фосфорилазы глико-гена. Ее активность может изменяться тремя способами:
o ковалентная модификация,
o кальций-зависимая активация,
o аллостерическая активация с помощью АМФ.
Ковалентная модификация
При действии некоторых гормонов на клетку происходит активация фермента через аде-нилатциклазный механизм, который является так называемым каскадным регулированием. Последовательность событий в данном механизме включает:
1. Молекула гормона (адреналин, глюкагон) взаимодействует со своим рецептором;
2. Активный гормон-рецепторный комплекс воздействует на мембранный G-белок;
3. G-белок активирует фермент аденилатциклазу;
4. Аденилатциклаза превращает АТФ в циклический АМФ (цАМФ) – вторичный посредник (мессенджер);
5. цАМФ аллостерически активирует фермент протеинкиназу А;
6. Протеинкиназа А фосфорилирует различные внутриклеточные белки. Одним из этих белков является синтаза гликогена, ее активность угнетается, другим белком – киназа фосфо-рилазы, которая при фосфорилировании активируется;
7. Киназа фосфорилазы фосфорилирует фосфорилазу "b" гликогена, последняя в результате превращается в активную фосфорилазу "а";
8. Активная фосфорилаза "а" гликогена расщепляет α1,4-гликозидные связи в гликогене с образованием глюкозо-1-фосфата.
Строение и обмен углеводов 200
Кроме гормонов, влияющих на активность аденилатциклазы через G-белки, существуют иные способы регуляции этого механизма. Например, после воздействия инсулина активиру-ется фермент фосфодиэстераза, которая гидролизует цАМФ и, следовательно, ликвидирует развитие аденилатциклазного механизма действия глюкагона и адреналина, со всеми вытека-ющими последствиями.
Кальций-зависимая активация
Активация ионами кальция заключается в активации киназы фосфорилазы не протеин-киназой, а ионами Ca2+ и кальмодулином. Этот путь работает при инициации кальций-фос-фолипидного механизма (см "Гормоны") либо при отсутсвии стимуляции аденилатциклазы. Это оправдывает себя, например, в мышцах при умеренной нагрузке, когда влияние адрена-лина через аденилатциклазу еще не произошло или недостаточно, но в цитоплазму под влия-нием нервных импульсов поступают ионы Ca2+.
Аллостерическая активация
Также существует активация фосфорилазы гликогена с помощью АМФ – аллостериче-ская активация благодаря присоединению АМФ к молекуле фосфорилазы "b". Способ рабо-тает в любой клетке – при увеличении расхода АТФ и накоплении продуктов его распада АДФ и АМФ.
ГЛИКОГЕНОВЫЕ БОЛЕЗНИ
Это наследственные заболевания, обусловленные недостаточностью каких-либо фер-ментов, отвечающих за метаболизм гликогена. Средняя частота встречаемости составляет 1:40000.
ГЛИКОГЕНОЗЫ
Синдром гликогеноза возникает в результате дефекта фермента синтеза или мобилиза-ции гликогена, что приводит к накоплению или изменению структуры гликогена в разных тканях, чаще в печени и мышцах. В настоящее время гликогенозы делят по патогенетическому признаку на печеночные, мышечные и смешанные формы.
Всего существует 12 типов гликогенозов. По патогенетическому признаку гликогенозы делят:
• печеночные – 0, I, III, IV, VI, VIII, IX, Х, ХI типов,
• мышечные – V и VII типов,
• смешанные – II типа.
Печеночные гликогенозы
Гликогеноз I типа или болезнь фон Гирке обусловлен аутосомно-рецессивным дефек-том глюкозо-6-фосфатазы. Из-за того, что этот фермент есть только в печени и почках, пре-имущественно страдают эти органы, и болезнь носит еще одно название – гепаторенальный
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 201
гликогеноз. Даже у новорожденных детей наблюдаются гепатомегалия и нефромегалия, обу-словленные накоплением гликогена не только в цитоплазме, но и в ядрах клеток. Кроме этого, активируется синтез липидов с возникновением стеатоза печени. Так как фермент необходим для дефосфорилирования глюкозо-6-фосфата с последующим выходом глюкозы в кровь, у больных отмечается гипогликемия, и, как следствие, ацетонемия, метаболический ацидоз, аце-тонурия.
Гликогеноз III типа или болезнь Форбса-Кори или лимит-декстриноз – это ауто-сомно-рецессивный дефект амило-α1,6-глюкозидазы, "деветвящего" фермента, гидролизую-щего α1,6-гликозидную связь. Болезнь имеет более доброкачественное течение, и частота ее составляет примерно 25% от всех гликогенозов. Для больных характерна гепатомегалия, уме-ренная задержка физического развития, в подростковом возрасте возможна небольшая миопа-тия.
При гликогенозе IV типа (болезнь Андерсена, 1% всех гликогенозов), связанного с де-фектом ветвящего фермента, образуется гликоген с короткими цепочками и резко уменьша-ется скорость гликогенолиза.
Гликогеноз VI типа (болезнь Херса, 25% всех гликогенозов), связан с дефицитом пече-ночной фосфорилазы гликогена. При этом отсутствует мобилизация гликогена, развивается гепатомегалия и гипогликемия.
Мышечные гликогенозы
Для этой группы гликогенозов характерны изменения ферментов мышечной ткани. Это приводит к нарушению энергообеспечения мышц при физической нагрузке, к болям в мыш-цах, судорогам.
Гликогеноз V типа (болезнь Мак-Ардля, 1% всех гликогенозов) – отсутствие мышечной фосфорилазы. При тяжелой мышечной нагрузке возникают судороги, миоглобинурия, хотя легкая работа не вызывает каких-либо проблем.
Смешанные гликогенозы
Эти заболевания касаются и печени, и мышц, и других органов.
Гликогеноз II типа (болезнь Помпе, 10% всех гликогенозов) – поражаются все глико-генсодержащие клетки из-за отсутствия лизосомальной α1,4-глюкозидазы. Происходит
Строение и обмен углеводов 202
накопление гликогена в лизосомах и в цитоплазме. Заболевание является наиболее злокаче-ственным. Больные умирают в грудном возрасте из-за кардиомегалии и тяжелой сердечной недостаточности.
АГЛИКОГЕНОЗЫ
Агликогенозы – состояния, связанные с отсутствием гликогена.
В качестве примера агликогеноза можно привести наследственный аутосомно-рецессив-ный дефицит гликоген-синтазы. Симптомами является резкая гипогликемия натощак, осо-бенно утром, появляется рвота, судороги, потеря сознания. В результате гипогликемии наблю-дается задержка психомоторного развития, умственная отсталость. Болезнь несмертельна при адекватном лечении (частое кормление), хотя и опасна.
ОКИСЛЕНИЕ ГЛЮКОЗЫ
Окисление глюкозы в клетках происходит по двум направлениям:
1. Окисление с образованием пентоз: рибозы, рибулозы, ксилулозы. Этот путь называется пен-тозофосфатный шунт и не связан с получением энергии
2. Окисление с образованием пировиноградной кислоты (пирувата) и получением энергии.
Второй путь, по которому глюкоза окисляется до пировиноградной кислоты, называется гликолизом. В зависимости от дальнейшей судьбы пирувата различают аэробное и анаэроб-ное окисление глюкозы. Целью аэробного и анаэробного путей окисления глюкозы является получение АТФ.
В аэробном процессе пировиноградная кислота превращается в ацетил-SКоА и далее сгорает в реакциях тканевого дыхания до СО2 и Н2О. Вместе с этим, существенное значение также имеет способность пирувата карбоксилироваться в оксало-ацетат (см "Регуляция ЦТК"), особенно эта реакция активна в печени. Наличие избытка оксалоацетата "подталкивает" реакции ЦТК, ускоряет связывание ацетильной группы, ее окисление и синтез АТФ.
В анаэробном процессе пировиноградная кис-лота восстанавливается до молочной кислоты (лак-тата), поэтому в микробиологии анаэробный глико-лиз называют молочнокислым брожением. Лактат является метаболическим тупиком и далее ни во что не превращается, единственная возможность утили-зовать лактат – это окислить его обратно в пируват.
Многие клетки организма способны к анаэроб-ному окислению глюкозы. Для эритроцитов он яв-ляется единственным источником энергии. Клетки скелетной мускулатуры за счет бескислородного расщепления глюкозы выполняют мощную, быструю, интенсивную с предельным напряже-нием, работу (до 60 секунд), как, например, бег на короткие дистанции, напряжение в силовых видах спорта. Также анаэробное окисление глюкозы усиливается при нарушении работы ми-тохондрий (митохондриальные болезни, гиповитаминозы В1, В2, В3, В5), во время гипо-ксии клеток при различных анемиях, при нарушении кровообращения в тканях и при заболе-ваниях бронхолегочной системы.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 203
ГЛИКОЛИЗ
Анаэробное превращение глюкозы локализуется в цитозоле и включает 2 этапа из 11 ферментативных реакций (см стр.226).
Суммарное уравнение анаэробного гликолиза имеет вид:
Глюкоза + 2 АДФ + 2 Фн 2 Лактат + 2 АТФ + 2 H2O
Первый этап гликолиза
Первый этап гликолиза (греч. glykos — сладкий и греч. lysis — растворение) – подгото-вительный, здесь происходит затрата энергии АТФ, активация глюкозы и образование из нее триозофосфатов.
Первая реакция гликолиза сводится к превращению глюкозы в реакционноспособное соединение за счет фосфорилирования 6-го, не включенного в кольцо, атома углерода. Эта реакция является первой в любом превращении глюкозы, катализируется гексокиназой.
Вторая реакция необходима для выведения еще одного атома углерода из кольца для его последующего фосфорилирования (фермент изомераза). В результате образуется фрук-тозо-6-фосфат.
Третья реакция – фермент фосфофруктокиназа фосфорилирует фруктозо-6-фосфат с образованием почти симметричной молекулы фруктозо-1,6-дифосфата.
В четвертой реакции фруктозо-1,6-дифосфат разрезается пополам альдолазой с обра-зованием двух фосфорилированных триоз-изомеров – альдозы глицеральдегида (ГАФ) и ке-тозы диоксиацетона (ДАФ).
Пятая реакция подготовительного этапа – переход глицеральдегидфосфата и диокси-ацетонфосфата друг в друга при участии триозофосфатизомеразы. Равновесие реакции сдви-нуто в пользу диоксиацетонфосфата, его доля составляет 97%, доля глицеральдегидфосфата – 3%. Эта реакция, при всей ее простоте, определяет дальнейшую судьбу глюкозы:
o при нехватке энергии в клетке и активации окисления глюкозы диоксиацетонфосфат пре-вращается в глицеральдегидфосфат, который далее окисляется на втором этапе глико-лиза,
o при достаточном количестве АТФ, наоборот, глицеральдегидфосфат изомеризуется в ди-оксиацетонфосфат, и последний отправляется на синтез жиров (см "Синтез триацилгли-церолов").
Второй этап гликолиза
Второй этап гликолиза – это освобождение энергии, содержащейся в глицеральде-гидфосфате, и запасание ее в форме АТФ.
Шестая реакция гликолиза (фермент глицеральдегидфосфат-дегидрогеназа) – окис-ление глицеральдегидфосфата и присоединение к нему фосфорной кислоты приводит к обра-зованию макроэргического соединения 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и НАДН.
В седьмой реакции (фермент фосфоглицераткиназа) энергия фосфоэфирной связи, за-ключенная в 1,3-дифосфоглицерате тратится на образование АТФ. Реакция получила допол-нительное название – реакция субстратного фосфорилирования, что уточняет источник энергии для получения макроэргической связи в АТФ (субстрат) в отличие от окислительного фосфорилирования (электрохимический градиент ионов водорода на мембране митохондрий).
Восьмая реакция – синтезированный в предыдущей реакции 3-фосфоглицерат под вли-янием фосфоглицератмутазы изомеризуется в 2-фосфоглицерат.
Девятая реакция – фермент енолаза отрывает молекулу воды от 2-фосфо–глицерино-вой кислоты и приводит к образованию макроэргической фосфоэфирной связи в составе фос-фоенолпирувата.
Десятая реакция гликолиза – еще одна реакция субстратного фосфорилирования -- заключается в переносе пируваткиназой макроэргического фосфата с фосфоенолпирувата на АДФ и образовании пировиноградной кислоты.
Строение и обмен углеводов 204
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 205
Последняя реакция бескислородного окисления глюкозы, одиннадцатая – образование молочной кислоты из пирувата под действием лактатдегидрогеназы. Важно то, что эта реак-ция осуществляется только в анаэробных условиях. Эта реакция необходима клетке, так как НАДН, образующийся в 6-й реакции, в отсутствие кислорода не может окисляться в митохон-дриях. У плода и детей первых месяцев жизни преобладает анаэробный распад глюкозы, в связи с чем уровень лактата у них выше по сравнению со взрослыми.
При наличии кислорода пировиноградная кислота переходит в митохондрию и превра-щается в ацетил-SКоА.
ГЛИКОЛИТИЧЕСКАЯ ОКСИДОРЕДУКЦИЯ
В анаэробных условиях образуемый в шестой, ГАФ-дегидрогеназной реакции, НАДН используется в одиннадцатой реакции для восстановления пирувата до лактата. Образуемый этим образом НАД опять возвращается в шестую реакцию. Процесс циклического восстанов-ления и окисления НАД в реакциях анаэробного окисления глюкозы получил название гли-колитическая оксидоредукция.
В аэробных условиях гликолитической о ксидоредукции не происходит, НАДН отдает свои атомы водорода на челночные системы (см ниже) для их передачи в дыхательную цепь митохондрий.
ЭФФЕКТ ПАСТЕРА
Эффект Пастера – это снижение потребления глюкозы и прекращение продукции молоч-ной кислоты клеткой в присутствии кислорода.
Биохимическая основа эффекта Пастера заключается в конкуренции между пируватде-гидрогеназой, превращающей пируват в ацетил-SКоА, и лактатдегидрогеназой, превраща-ющей пируват в лактат.
При отсутствии кислорода реакции окислительного фосфорилирования не идут, момен-тально накапливающийся НАДН тормозит ЦТК и ПВК-дегидрогеназу, ацетил-SКоА, не по-падающий в ЦТК, также ингибирует ПВК-дегидрогеназу. В этой ситуации пировиноградной кислоте не остается ничего иного как под влиянием ЛДГ превращаться в молочную.
При наличии кислорода ингибирование ПВК-дегидрогеназы прекращается и она, обла-дая большим сродством к пирувату, выигрывает конкуренцию.
Строение и обмен углеводов 206
ЧЕЛНОЧНЫЕ СИСТЕМЫ
Молекулы НАДН, образованные в шестой реакции гликолиза, в зависимости от наличия кислорода имеют, как минимум, два пути дальнейшего использования:
o либо остаться в цитозоле и вступить в лактатдегидрогеназную реакцию (анаэробные условия),
o либо проникнуть в митохондрию и окислиться в дыхательной цепи (аэробные условия),
Так как сама молекула НАДН через митохондриальную мембрану не проходит, то суще-ствуют системы, принимающие от нее атомы водорода в цитоплазме и отдающие их в мат-риксе митохондрий. Такие системы называются челночными.
Определены две основные челночные системы – глицеролфосфатная и малат-аспар-татная.
Глицеролфосфатный челночный механизм
Ключевыми ферментами глицеролфосфатного челнока являются изоферменты глице-рол-3-фосфат-дегидрогеназы – цитоплазматический и митохондриальный. Они отличаются своими коферментами: у цитоплазматической формы – НАД, у митохондриальной – ФАД.
В цитозоле метаболиты гликолиза – диоксиацетонфосфат и НАДН образуют глицерол-3-фосфат, поступающий в матрикс митохондрий. Там он окисляется с образованием ФАДН2. Далее ФАДН2 направляется в дыхательную цепь и используется для получения энергии.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 207
Работа глицеролфосфатного челночного механизма актуальна при необходимости полу-чить энергию из глюкозы при работе клетки. Однако в гепатоците и адипоците в состоянии покоя и после еды глицерол-3 фосфат будет использоваться в цитозоле для синтеза жиров (см "Синтез триацилглицеролов").
Малат-аспартатный челночный механизм
Этот механизм более сложен. Постоянно идущая в цитоплазме реакция трансаминиро-вания аспартата с α-кетоглутаратом превращает его в оксалоацетат, который под действием цитозольного пула малатдегидрогеназы и "гликолитического" НАДН восстанавливается до яблочной кислоты. Последняя антипортом с α-кетоглутаратом проникает в митохондрии и, являясь метаболитом ЦТК, окисляется в оксалоацетат с образованием НАДН. Так как мем-брана митохондрий непроницаема для оксалоацетата, то оксалоацетат вступает в реакцию трансаминирования с глутаминовой кислотой и превращается в аспарагиновую кислоту. По-следняя, при участии соответствующей транслоказы, в обмен на глутамат выходит в цитозоль и снова вовлекается в трансаминирование.
Расчет энергетической ценности и коэффициента Р/О при окислении глюкозы
Для расчета количества АТФ, образованной при окислении глюкозы необходимо знать:
o реакции, идущие с затратой или образованием АТФ и ГТФ,
o реакции, продуцирующие НАДН и ФАДН2 и использующие их,
o так как глюкоза образует две триозы, то все соединения, образующиеся ниже ГАФ-дегидрогеназной реакции, образуются в двойном (относительно глюкозы) количестве.
Анаэробное окисление
На подготовительном этапе на активацию глюкозы затрачивается 2 молекулы АТФ, фосфат каждой из которых оказывается на триозе – глицеральдегидфосфате и диоксиацетон-фосфате. В следующий второй этап входят две молекулы глицеральдегидфосфата, каждая из которых окисляется до пирувата с образованием 2-х молекул АТФ в седьмой и десятой реак-циях – реакциях субстратного фосфорилирования. Таким образом, суммируя, получаем, что на пути от глюкозы до пирувата в чистом виде образуется 2 молекулы АТФ.
Строение и обмен углеводов 208
Ранее при расчете эффективности окисления коэффициент P/O для НАДH прини-мался равным 3,0, для ФАДH2 – 2,0.
По современным данным значение коэффициента P/O для НАДH соответствует 2,5, для ФАДH2 – 1,5.
Однако надо иметь в виду и шестую, глицеральдегидфосфат-дегидрогеназную, реакцию, из которой выходит НАДН. Если условия анаэробные, то он используется в лактатдегидроге-назной реакции, где окисляется для образования лактата и в получении АТФ не участвует.
Аэробное окисление
Если в клетке имеется кислород, то молекула НАДН из шестой реакции гликолиза направляется в митохондрию, на процессы окислительного фосфорилирования. Там его окис-ление приносит дивиденды в виде 2,5 молей АТФ.
Образовавшийся в гликолизе пируват в аэробных условиях превращается в ПВК-дегидрогеназном комплексе в ацетил-SКоА, при этом образуется 1 молекула НАДН (2,5 моля АТФ).
Ацетил-SКоА вовлекается в ЦТК и, окисляясь, дает 3 молекулы НАДН, 1 молекулу ФАДН2, 1 молекулу ГТФ. Молекулы НАДН и ФАДН2 движутся в дыхательную цепь, где при их окислении в сумме образуется 9 молекул АТФ. В целом при сгорании одной ацетогруппы в ЦТК образуется 10 молекул АТФ.
Суммируя результаты окисления "гликолитического" и "пируватдегидрогеназного" НАДН, "гликолитический" АТФ, энергетический выход ЦТК и умножая все на 2, получаем 32 молекулы АТФ.
Для расчета коэффициента P/O (см "Окислительное фосфорилирование/Коэффициент P/O") подсчитываем
o количество АТФ образованного в митохондриях АТФ-синтазой – это соответствует зна-чению P,
o количество НАДН и ФАДН2, поступивших в дыхательную цепь – это значение соответ-ствует числу восстановленных атомов кислорода (O), включенных в молекулу воды.
После расчетов получаем P=28 и O=12. Таким образом, величина P/O для аэробного окисления глюкозы равна 2,33.
Общее уравнение аэробного окисления глюкозы имеет вид:
C6H12O6 + 6 O2 + 32 АДФ + 32 Фн 6 CO2 + 44 H2О + 32 АТФ
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 209
ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ
В клетках организма всегда существует потребность в глюкозе:
o для эритроцитов глюкоза является единственным источником энергии,
o нервная ткань потребляет около 120 г глюкозы в сутки, что составляет до 70% глюкозы образующейся в печени, притом эта величина практически не зависит от интенсивности ее работы. Только в экстремальных ситуациях (длительное голодание) она способна по-лучать энергию из неуглеводных источников (из кетоновых тел),
o глюкоза играет весомую роль для поддержания необходимых концентраций метаболитов цикла трикарбоновых кислот (в первую очередь оксалоацетата).
Таким образом, при определенных ситуациях – при низком содержании углеводов в пище, голодании, длительной физической работе – организм должен иметь возможность по-лучить глюкозу. Это достигается процессом глюконеогенеза.
Глюконеогенез – это синтез глюкозы из неуглеводных компонентов: лактата, пирувата, глицерола, кетокислот цикла Кребса и других кетокислот, из аминокислот. Процесс включает все обратимые реакции гликолиза, и особые обходные пути, т.е. он не полностью повторяет реакции окисления глюкозы. Его реакции проходят во всех тканях, кроме последней глюкозо-6-фосфатазной реакции, которая может идти только в печени и почках. Поэтому, строго го-воря, глюконеогенез идет только в этих двух органах.
Как указывалось, в гликолизе существуют три необратимые реакции: пируваткиназная (десятая), фосфофруктокиназная (третья) и гексокиназная (первая). На этих реакциях су-ществуют энергетические барьеры, которые при глюконеогенезе обходятся с помощью допол-нительных реакций.
Строение и обмен углеводов 210
Все аминокислоты, кроме кетогенных лейцина и лизина, способны участвовать в синтезе глюкозы. Углеродные атомы глюкогенных аминокислот полностью включаются в молекулу глюкозы, других аминокислот (смешанных) – частично.
Кроме получения глюкозы, глюконеогенез обеспечивает и уборку "шлаков" – лактата, постоянно образуемого в эритроцитах или при мышечной работе и глицерола, являющегося продуктом липолиза в жировой ткани.
ОБХОД ДЕСЯТОЙ РЕАКЦИИ ГЛИКОЛИЗА
На этом этапе глюконеогенеза работают два основных фермента – в митохондриях пи-руваткарбоксилаза и в цитозоле фосфоенолпируват-карбоксикиназа.
В митохондриях пируваткарбоксилаза превращает пировиноградную кислоту в окса-лоацетат. Необходимо отметить, что эта реакция идет в клетке постоянно, являясь анаплеро-тической (пополняющей) реакцией ЦТК.
Далее оксалоацетат должен попасть в цитозоль и превратиться в фосфоенолпируват. Од-нако дело осложняется непроницаемостью мембраны для оксалоацетата. Зато через мембрану может пройти малат, предшественник оксалоацетата по ЦТК. Повернуть малатдегидрогеназ-ную реакцию ЦТК вспять позволяет избыток НАДН в митохондриях. НАДН поступает из -окисления жирных кислот, активируемого в условиях недостаточности глюкозы в гепато-ците. В результате малат накапливается, выходит в цитозоль и здесь превращается обратно в оксалоацетат.
В цитоплазме фосфоенолпируват-карбоксикиназа осуществляет превращение оксало-ацетата в фосфоенолпируват, для реакции требуется энергия ГТФ. От молекулы отщепляется тот же углерод, что и присоединяется.
ОБХОД ТРЕТЬЕЙ РЕАКЦИИ ГЛИКОЛИЗА
Второе препятствие на пути синтеза глюкозы – фосфофруктокиназная реакция – преодо-левается с помощью фермента фруктозо-1,6-дифосфатазы. Этот фермент есть в почках, пе-чени, поперечно-полосатых мышцах. Таким образом, эти ткани способны синтезировать и фруктозо-6-фосфат и глюкозо-6-фосфат.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 211
ОБХОД ПЕРВОЙ РЕАКЦИИ ГЛИКОЛИЗА
Последняя реакция катализируется глюкозо-6-фосфатазой. Она имеется только в пе-чени и почках, следовательно, только эти ткани могут продуцировать свободную глюкозу. После завершения глюконеогенеза глюкоза выходит в кровь и разносится по организму.
ВЗАИМООТНОШЕНИЯ ГЛИКОЛИЗА И ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗА
Так как синтез и окисление глюкозы являются крайне важными для существования клетки (гликолиз) и всего организма (глюконеогенез), то регуляция этих процессов отвечает запросам органов и тканей при различных условиях.
Поскольку гликолитическое окисление глюкозы:
o является способом получения энергии и в аэробных и в анаэробных условиях, то оно непрерывно происходит во всех клетках и, конечно, должно и будет активировано при усилении работы клетки, например, сокращение миоцита, движение нейтрофилов;
o является источником глицерола и ацетил-SКоА, используемых для синтеза жиров в гепа-тоцитах и адипоцитах, то такое окисление активируется при избытке глюкозы в клетке.
Глюконеогенез, как образование глюкозы в печени из неуглеводных компонентов, не-обходим:
o при гипогликемии во время мышечной нагрузки – синтез из молочной кислоты, посту-пающей из мышц, из глицерола, образующегося при мобилизации жиров;
o при гипогликемии при голодании – синтез из аминокислот, образующихся при катабо-лизме белков, и из молочной кислоты.
Таким образом, при голодании или физической нагрузке глюконеогенез, идущий в пе-чени, обеспечивает глюкозой все остальные клетки и органы (эритроциты, нервная ткань, мышцы и др.), в которых активны процессы, требующие глюкозу. Поступление глюкозы в эти клетки также необходимо, чтобы поддержать концентрацию оксалоацетата и обеспечить сго-раниев ЦТК ацетил-SКоА, получаемого из жирных кислот или кетоновых тел.
РЕГУЛЯЦИЯ ГЛИКОЛИЗА И ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗА
В целом можно выделить два способа регуляции гликолиза и глюконеогенеза: гормо-нальная и метаболическая, т.е. при помощи промежуточных или конечных продуктов об-мена глюкозы.
Существуют три участка, на которых происходит регуляция:
o первая реакция гликолиза,
o третья реакция гликолиза и обратимая ей,
Строение и обмен углеводов 212
o десятая реакция гликолиза и обратимые ей.
Регуляция глюконеогенеза
Гормональная активация глюконеогенеза осуществляется глюкокортикоидами, кото-рые увеличивают синтез пируват-карбоксилазы, фосфоенолпируваткарбоксикиназы, фруктозо-1,6-дифосфатазы. Глюкагон стимулирует те же самые ферменты через аденилат-циклазный механизм путем фосфорилирования.
Кроме гормонов, имеются метаболическая регуляция, при которой аллостерически ак-тивируется пируваткарбоксилаза при помощи ацетил-SКоА, фруктозо-1,6-дифосфатаза при участии АТФ.
Регуляция гликолиза
Гликолиз стимулируется инсулином, повышающим количество молекул гексокиназы, фосфофруктокиназы, пируваткиназы. В печени активность глюкокиназы регулируется гор-монами: активацию вызывает инсулин и андрогены, подавляют ее активность глюкокортико-иды и эстрогены. Активность гексокиназ других клеток повышается инсулином, адренали-ном, тиреоидными гормонами, снижается – глюкокортикоидами и соматотропином.
К метаболической регуляции наиболее чувствительна фосфофруктокиназа. Она акти-вируется АМФ и собственным субстратом, ингибируется – АТФ, лимонной кислотой, жир-ными кислотами. Пируваткиназа активируется фруктозо-1,6-дифосфатом. Гексокиназа кле-ток (кроме гепатоцитов) ингибируется продуктом собственной реакции – глюкозо-6-фосфа-том.
ВКЛЮЧЕНИЕ НЕУГЛЕВОДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ
Синтез глюкозы из аминокислот
Ряд аминокислот являются глюкогенными, то есть их углеродные скелеты в той или иной степени способны включаться в состав глюкозы. Такими является большинство аминокислот, кроме лейцина и лизина, углероды которых никогда не участвуют в синтезе углеводов.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 213
В качестве примера синтеза глюкозы из аминокислот рассмотрим участие в этом про-цессе глутамата, аспартата, серина и аланина.
Аспарагиновая кислота (после реакции трансаминирования) и глутаминовая кислота (после дезаминирования) превращаются в метаболиты ЦТК, соответственно, в оксалоацетат и -кетоглутарат.
Аланин, трансаминируясь, образует пировиноградную кислоту, которая способна кар-боксилироваться до оксалоацетата. Оксалоацетат, являясь первым элементом в процессе глю-конеогенеза, далее включается в состав глюкозы.
Серин в трехступенчатой реакции под воздействием сериндегидратазы теряет амино-группу и превращается в пируват, который вступает в глюконеогенез.
Синтез глюкозы из глицерина
При физической нагрузке под влиянием адреналина или при голодании, особенно дли-тельном, под влиянием глюкагона и кортизола, в адипоцитах активно происходит распад три-ацилглицеролов. Одним из продуктов этого процесса является спирт глицерин, который по-ступает в печень. Здесь он фосфорилируется, окисляется до диоксиацетонфосфата и вовлека-ется в реакции глюконеогенеза.
Строение и обмен углеводов 214
Синтез глюкозы из молочной кислоты
При физической нагрузке в мышцах продуцируется большое количество молочной кис-лоты. Также молочная кислота непрерывно образуется эритроцитами, независимо от состоя-ния организма. С током крови она поступает в печень, где после проникновения в клетку пре-вращается в пируват. Далее реакции идут по классической схеме.
Суммарная реакция синтеза глюкозы из молочной кислоты:
Лактат + 4АТФ + 2ГТФ + 2H2O Глюкоза + 4АДФ + 2ГДФ + 6Фн
ГЛЮКОЗО-ЛАКТАТНЫЙ И ГЛЮКОЗО-АЛАНИНОВЫЙ ЦИКЛЫ
Глюкозо-лактатный цикл (цикл Кори) – это связь глюконеогенеза в печени и образо-вания лактата в эритроцитах или мышцах из глюкозы. В эритроцитах молочная кислота об-разуется непрерывно, так как для них анаэробный гликолиз является единственным способом образования энергии.
В скелетных мышцах высокое накопление молочной кислоты является следствием гли-колиза при очень интенсивной, субмаксимальной мощности, работе. Но даже при работе низ-кой и средней интенсивности в скелетной мышце образуется некоторое количество лактата. Утилизоваться он может только одним способом – превратиться в пировиноградную кислоту. Однако, сама мышечная клетка ни при работе, ни во время отдыха не способна превратить лактат в пируват из-за особенностей изофермента ЛДГ-5.
Поэтому во время и после нагрузки (при восстановлении) лактат удаляется из мышцы. Это происходит довольно быстро, всего через 0,5-1,5 часа молочной кислоты в мышце уже нет. Малая часть молочной кислоты выводится с мочой. Большая часть лактата захватывается гепатоцитами, окисляется в пировиноградную кислоту и вступает на путь глюконеогенеза.
Полученная глюкоза используется самим гепатоцитом или выходит в кровь, пополняя запасы в мышце или других клетках.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 215
Целью глюкозо-аланинового цикла также является уборка пирувата, но, кроме этого решается еще одна немаловажная задача – уборка аминного азота из мышцы. При мышечной работе и в покое в миоците распадаются белки и образуемые аминокислоты трансаминиру-ются с -кетоглутаратом. Полученный глутамат взаимодействует с пируватом. Образую-щийся аланин является транспортной формой азота и пирувата из мышцы в печень. В гепато-ците идет обратная реакция трансаминирования, аминогруппа передается на синтез мочевины, пируват используется для синтеза глюкозы.
Глюкоза, образованная в печени из лактата или аланина, возвращается обратно в мышцы, восстанавливая во время отдыха запасы гликогена. Также она может распределиться по дру-гим органам.
Кроме мышечной работы, глюкозо-аланиновый цикл активируется во время голодания, когда мышечные белки распадаются и многие аминокислоты используются в качестве источ-ника энергии, а их азот необходимо доставить в печень.
МЕТАБОЛИЗМ ЭТАНОЛА
В организм поступают и в результате метаболизма образуются в клетках головного мозга и печени, в других тканях, при жизнедеятельности микрофлоры кишечника различные спирты (алифатической, ароматической, стероидной природы, ретиноиды, фарнезол и др.) и альдегиды (ароматические, алифатические, продукты пероксидации липидов и др.), которые могут являться промежуточными метаболитами или конечными продуктами. Взаимопревра-щение спиртов и альдегидов осуществляют алкогольдегидрогеназы. Их существует 6 клас-сов, в каждом классе имеются многочисленные изоферменты, обнаруженные во многих тка-нях.
С медицинской и социальной точки зрения определенный интерес вызывает метаболизм этилового спирта в организме человека.
УТИЛИЗАЦИЯ ЭТАНОЛА
Метаболизм поступающего этанола в организме происходит в печени. Первый путь за-ключается в окислении спирта по алкогольдегидрогеназному пути до уксусной кислоты, ко-торая в виде ацетил-SКоА поступает в ЦТК. Через этот путь проходит 80-90% всего этанола.
Строение и обмен углеводов 216
За окисление оставшейся части этанола отвечает алкогольоксидаза (цитохром P450), также называемая микросомальная этанолокисляющая система (МЭОС) При регулярном по-ступлении этанола доля микросомального окисления возрастает, так как этанол является ин-дуктором алкогольоксидазы и количество ее молекул увеличивается.
Поскольку при утилизации этанола образуется большое количество НАДН, то в цитозоле гепатоцитов активируется 11-я реакция гликолиза (превращение пирувата в лактат) и восста-новление диоксиацетонфосфата в глицерол-3-фосфат. Все это приводит к гипогликемии, так как пировиноградная кислота и диоксиацетонфосфат являются субстратами глюконеогенеза.
Одновременно накопление "алкогольного" ацетил-SКоА ингибирует пируватдегидроге-назу, что еще больше усиливает накопление молочной кислоты и вызывает лактоацидоз.
Одновременно из-за относительной недостаточности оксалоацетата, использованного в глюконеогенезе, избыток "алкогольного" ацетил-SКоА не успевает окислиться в цикле три-карбоновых кислот и перенаправляется на синтез кетоновых тел, что обеспечивает возникно-вение кетоацидоза.
Если запасы гликогена в печени изначально невелики (голодание, недоедание, астеническое телосложение) или израсходованы (после физической работы), то при приеме алкоголя натощак гипогликемия наступает быстрее и может быть причиной потери сознания. К этому стоит добавить сильный диуретический эффект этанола, ведущий к быстрому обезвоживанию организма и снижению кровоснабжения го-ловного мозга со всеми вытекающими последствиями.
СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ
Образование этилового спирта из глюкозы происходит в анаэробных условиях в дрож-жах и некоторых видах плесневых грибков. Суммарное уравнение реакции:
C6H12О6 2 CО2 + 2 С2Н5ОН + 2 АТФ
До стадии образования пирувата реакции спиртового брожения совпадают с реакциями гликолиза. Отличия заключаются только в дальнейшем превращении пировиноградной кис-лоты.
Цель этих превращений у указанных организмов – удалить пируват из клетки и окислить НАДН, который образовался в 6-й реакции.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 217
ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ПУТЬ ОКИСЛЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ
Наиболее активно реакции пентозофосфатного пути (ПФП) идут в цитозоле клеток пе-чени, жировой ткани, эритроцитах, коре надпочечников, молочной железе при лактации, в го-раздо меньшей степени в скелетных мышцах. Этот путь окисления глюкозы не связан с обра-зованием энергии, а обеспечивает анаболизм клеток. В связи с этим у новорожденных и детей первых лет жизни его активность довольно высока.
Пентозофосфатный путь (см стр.240) включает два этапа – окислительный и неокисли-тельный.
На первом, окислительном, этапе глюкозо-6-фосфат в трех реакциях превращается в рибулозо-5-фосфат, реакции сопровождаются восстановлением двух молекул НАДФ до НАДФН.
На этом этапе происходит регуляция процесса: инсулин повышает активность глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы и фосфоглюконат-дегидрогеназы.
Второй этап – этап структурных перестроек, благодаря которым пентозы способны возвращаться в фонд гексоз. В этих реакциях рибулозо-5-фосфат изомеризуется до рибозо-5-фосфата и ксилулозо-5-фосфата. Далее под влиянием ферментов транскетолазы и трансаль-долазы происходят структурные перестройки с образованием других моносахаридов. При ре-ализации всех реакций второго этапа пентозы превращаются во фруктозо-6-фосфат и глице-ральдегидфосфат. Из глицеральдегид-3-фосфата при необходимости могут образоваться гек-созы.
ЗНАЧЕНИЕ ПЕНТОЗОФОСФАТНОГО ПУТИ
1. Значение первого этапа пентозофосфатного пути заключается в синтезе НАДФН.
Образованный НАДФН используется:
o для синтеза жирных кислот,
o для синтеза холестерола и других стероидов (например, желчных кислот),
o для синтеза глутаминовой кислоты из α-кетоглутаровой кислоты (реакция восстанови-тельного аминирования),
o для синтеза дезоксирибонуклеотидов,
o для систем защиты клетки от свободно-радикального окисления (антиоксидантные си-стемы),
o для деятельности цепи микросомального окисления (цитохром Р450),
o для восстановления железа (III) метгемоглобина в железо (II) нормального гемоглобина,
o для реактивации фолиевой кислоты и витамина К.
2. Значение второго этапа двояко:
o либо в первой реакции образуется рибозо-5-фосфат, который используется при синтезе рибонуклеотидов и остальные пентозы стекаются в эту реакцию. Рибозо-5-фосфат необ-ходим для синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов и нуклеиновых кислот,
Строение и обмен углеводов 218
o либо образуемые пентозо-5-фосфаты превращаются во фруктозо-6-фосфат и глицер–аль-дегид-3-фосфат и вливаются в путь гликолиза.
При определенных условиях разные клетки могут выключать или подключать второй неокислительный этап.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 219
РОЛЬ ПЕНТОЗОФОСФАТНОГО ПУТИ В РАЗЛИЧНЫХ КЛЕТКАХ
Метаболизм глюкозо-6-фосфата в пентозофосфатном пути может идти по различным ва-риантам. Судьба метаболитов пентозофосфатного пути зависит от ситуации, потребностей клетки и ее типа.
Пример 1
Рассмотрим ситуацию, когда потребность клетки в НАДФН и рибозо-5-фосфате сбалан-сирована. Например, при росте и делении клетки требуется рибоза для синтеза рибонуклео-тидов и НАДФН для превращения рибонуклеотидов в дезоксирибонуклеотиды. При таких условиях реакции 1 этапа идут обычным порядком – образуется две молекулы НАДФН, но реакции 2 этапа обрываются на стадии синтеза рибозо-5-фосфата.
Пример 2
Если потребность в НАДФН значительно превышает потребность в рибозо-5-фосфате, как, например, в адипоцитах и печени при синтезе жирных кислот, то по окислительным ре-акциям пентозофосфатного пути образуются НАДФН и рибулозо-5-фосфат. Далее, под дей-ствием ферментов 2 этапа, рибулозо-5-фосфат превращается в пентозо-5-фосфаты и далее во фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Полученные продукты превращаются в пи-руват и ацетил-SKoA и, в основном, используются для синтеза жиров. Одновременно ГАФ может превращаться в глицерол-3-фосфат и уходить в биосинтез триацилглицеролов.
Строение и обмен углеводов 220
Пример 3
В случае, когда потребность в НАДФН высока, а потребность в рибозо-5-фосфате отсут-ствует, как в эритроците, в котором НАДФН активно потребляется антиоксидантной систе-мой, идут оба этапа ПФП. Глюкозо-6-фосфат превращается в рибозо-5-фосфат и далее во фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат, которые вступают в гликолиз с образованием лактата. В конечном результате происходит одновременное генерирование НАДФН и АТФ.
НАРУШЕНИЯ ПЕНТОЗОФОСФАТНОГО ПУТИ
Генетическая недостаточность (связана с X-хромосомой) глюкозо-6-фосфат-дегидроге-назы отмечается примерно с частотой 1:60, то есть на Земле имеется около 100 млн. человек с этим заболеванием, которое, к счастью, не всегда проявляется. Следствием ферментного де-фекта является снижение синтеза НАДФН в клетке. Особенно существенно это влияет на эритроциты, в которых окислительный этап пентозофосфатного цикла является единствен-ным источником НАДФН. Из разнообразных функций НАДФН в данном случае имеет значе-ние одна – участие в работе антиоксидантной системы,
НАДФН работает в кооперации с глутатион-редуктазой, глутатионом и глутатион-пероксидазой, восстанавливающей пероксид водорода до воды. Пероксид водорода в клетке образуется из свободных кислородных радикалов (активных форм кисло-рода), последние являются обычным продуктом деятельности некоторых фермен-тов.
В нормальных условиях у носителей дефектного фермента срок жизни эритроцита со-кращен, но гемолиз и анемия обычно не возникают, т.е. дефект не проявляется. Триггером для проявления патологии являются лекарства и токсины, обладающие окислительными свой-ствами:
o употребление ряда лекарственных препаратов – сульфаниламиды, антибиотики, нит-рофураны, анальгетики и антипиретики, противомалярийные и антитуберкулезные пре-параты,
o бактериальные и вирусные инфекции.
При употреблении некоторых лекарственных препаратов (сульфаниламиды, парацета-мол, аспирин, примахин, метиленовый синий) в клетках активируются процессы свободнора-дикального окисления. Здоровая клетка, и эритроцит в том числе, довольно легко справляются с дополнительной нагрузкой. При дефекте глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы активность анти-оксидантных систем ослабевает и перекись водорода накапливается в эритроците, усиливается повреждение его мембран и происходит гемолиз.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 221
РЕГУЛЯЦИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГЛЮКОЗЫ В КРОВИ
Нервная регуляция концентрации глюкозы в крови выражается во влиянии нервной системы на секрецию тех или иных гормонов. Так, существует положительное влияние n.vagus на секрецию инсулина и тормозящее влияние на эту секрецию симпатической иннервации. Кроме этого, прямому влиянию симпатической нервной системы подчинено выделение адре-налина в кровь, и, соответственно, развитие его эффектов.
Основными факторами гормональной регуляции являются глюкагон, адреналин, глю-кокортикоиды, соматотропный гормон с одной стороны, и инсулин с другой. Инсулин яв-ляется единственным гормоном организма, действие которого нацелено на снижение уровня глюкозы крови. Под его влиянием глюкозу поглощают мышцы и жировая ткань. Все осталь-ные гормоны увеличивают гликемию, действуя на печень.
Снижение глюкозы крови
Повышение глюкозы крови
Инсулин
Повышение ГлюТ 4-зависимого транс-порта глюкозы в клетки
Усиление синтеза гликогена
Активация пентозофосфатного пути
Активация гликолиза и ЦТК
Адреналин
Активация гликогенолиза в печени
Глюкагон
Активация гликогенолиза в печени
Стимуляция глюконеогенеза
Глюкокортикоиды
Усиление глюконеогенеза
Уменьшение проницаемости мембран для глюкозы
Уменьшение концентрации глюкозы в крови инсулином достигается следующими пу-тями:
o переход глюкозы в клетки – активация белков-транспортеров ГлюТ 4 на цитоплазмати-ческой мембране скелетных и сердечных миоцитов и адипоцитов,
o вовлечение глюкозы в гликолиз – индукция синтеза глюкокиназы, фосфофруктоки-назы, пируваткиназы,
o увеличение синтеза гликогена – активация гликогенсинтазы и стимуляция ее синтеза, что облегчает превращение излишков глюкозы в гликоген,
o активация пентозофосфатного пути – индукция синтеза глюкозо-6-фосфат-дегидроге-назы и 6-фосфоглюконатдегидрогеназы,
o усиление липогенеза – вовлечение глюкозы в синтез триацилглицеролов (см "Липиды /Синтез триацилглицеролов").
Многие ткани совершенно нечувствительны к действию инсулина, их называют инсу-линнезависимыми. К ним относятся нервная ткань, стекловидное тело, хрусталик, сетчатка, клубочковые клетки почек, эндотелиоциты, семенники и эритроциты.
Глюкагон повышает содержание глюкозы крови:
o увеличивая мобилизацию гликогена через активацию гликогенфосфорилазы,
o стимулируя глюконеогенез – повышение работы ферментов пируваткарбоксилазы, фос-фоенолпируват-карбоксикиназы, фруктозо-1,6-дифосфатазы.
Адреналин вызывает гипергликемию:
o активируя мобилизацию гликогена – стимуляция гликогенфосфорилазы,
Глюкокортикоиды повышают глюкозу крови
o за счет подавления перехода глюкозы в клетку,
o стимулируя глюконеогенез – увеличивают синтез ферментов пируваткарбоксилазы, фосфоенолпируват-карбоксикиназы, фруктозо-1,6-дифосфатазы.
Строение и обмен углеводов 222
ГИПЕРГЛИКЕМИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ
Гипергликемическим является состояние, при котором концентрация глюкозы в крови более 6 ммоль/л. По происхождению выделяют две группы таких состояний:
1. Физиологические
o алиментарные – связаны с приемом пищи и продолжаются в норме не более 2 часов после еды.
o нейрогенные – нервное напряжение, стимулирующее секрецию адреналина и мобилиза-цию гликогена в печени,
o гипергликемия беременных – связана с относительной недостаточностью инсулина при увеличении массы тела и потребностью плода в глюкозе.
2. Патологические
o при заболеваниях гипофиза, коры и мозгового слоя надпочечников, щитовидной железы, β-клеток поджелудочной железы, при органических поражениях ЦНС.
Наиболее распространенным и серьезным гипергликемическим патологическим состоя-нием является сахарный диабет, подробно описаный в разделе "Гормоны /Гормоны перифе-рических желез /Инсулин".
ГИПОГЛИКЕМИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ
Гипогликемическим является состояние, при котором концентрация глюкозы в крови ниже 3,5 ммоль/л. Причины гипогликемий:
1. Физиологические
o краткое или долгосрочное голодание,
o интенсивная физическая нагрузка.
2. Патологические
o гиперинсулинизм в результате передозировки при лечении сахарного диабета, инсули-номы (инсулинпродуцирующая опухоль), или замедленного распада инсулина вслед-ствие сниженного количества инсулиназы (синдром Мак-Куорри),
o гликогенозы,
o недостаток гликемических гормонов при гипопитуитаризме, аддисоновой болезни,
o у недоношенных и новорожденных – охлаждение, малые запасы гликогена в печени и ее общая незрелость,
o нарушения кишечника – энтериты, гельминтозы, дисбактериозы.
СТРОЕНИЕ И ОБМЕН ЛИПИДОВ
КЛАССИФИКАЦИЯ ЛИПИДОВ
Классификация липидов сложна, так как в класс липидов входят вещества весьма разно-образные по своему строению. Их объединяет только одно свойство – гидрофобность. По от-ношению к гидролизу в щелочной среде все липиды подразделяют на две большие группы: омыляемые и неомыляемые. Среди неомыляемых определена большая группа стероидов, в состав которой входят холестерол и его производные: стероидные гормоны, стероидные вита-мины, желчные кислоты. Среди омыляемых липидов существуют простые липиды, т.е. со-стоящие только из спирта и жирных кислот (воска, триацилглицеролы, эфиры холестерола), и сложные липиды, включающие, кроме спирта и жирных кислот, вещества иного строения (фосфолипиды, гликолипиды, сфинголипиды).
ФУНКЦИИ ЛИПИДОВ
Функции липидов существенно зависят от их вида:
1. Резервно-энергетическая функция – триацилглицеролы подкожного жира являются основ-ным энергетическим резервом организма при голодании. В адипоцитах жиры могут со-ставлять 65-85% веса. Для поперечно-полосатой мускулатуры, печени и почек они явля-ются основным источником энергии.
2. Структурная функция – мембраны клеток состоят из фосфолипидов, обязательным компо-нентом являются гликолипиды и холестерол. Основным компонентом сурфактанта легких является фосфатидилхолин.
3. Сигнальная функция – гликолипиды выполняют рецепторные функции и задачи взаимо-действия с другими клетками. Фосфатидилинозитол непосредственно принимает участие в передаче гормональных сигналов в клетку. Производные жирных кислот – эйкозаноиды – являются "местными гормонами", обеспечивая регуляцию функций клеток.
4. Защитная функция – подкожный жир является хорошим термоизолирующим средством, наряду с брыжеечным жиром он обеспечивает механическую защиту внутренних органов. Фосфолипиды играют определенную роль в активации свертывающей системы крови.
Строение и обмен липидов 224
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 225
СТРОЕНИЕ ЛИПИДОВ
ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ
Жирные кислоты входят в состав практически всех указанных классов липидов, кроме производных холестерола.
У человека жирные кислоты характеризуются следующими особенностями:
o четное число углеродных атомов в цепи,
o отсутствие разветвлений цепи,
o наличие двойных связей только в цис-конформации.
В свою очередь, по строению жирные кислоты неоднородны и различаются длиной цепи и количеством двойных связей.
К насыщенным жирным кислотам относится пальмитиновая (С16), стеариновая (С18) и арахиновая (С20).
К мононенасыщенным – пальмитоолеиновая (С16:1, Δ9), олеиновая (С18:1, Δ9).
Указанные жирные кислоты находятся в большинстве пищевых жиров и в жире чело-века.
Полиненасыщенные жирные кислоты содержат от 2-х и более двойных связей, разде-ленных метиленовой группой. Кроме отличий по количеству двойных связей, кислоты раз-личаются их положением относительно начала цепи (обозначается через греческую букву Δ "дельта") или последнего атома углерода цепи (обозначается буквой ω "омега").
По положению двойной связи относительно последнего атома углерода полиненасы-щенные жирные кислоты делят на ω-9, ω-6 и ω-3-жирные кислоты.
1. ω-6-жирные кислоты, эти кислоты объединены под названием витамин F, и содержатся в растительных маслах.
o линолевая (С18:2, Δ9,12),
o -линоленовая (С18:3, Δ6,9,12),
o арахидоновая (эйкозотетраеновая, С20:4, Δ5,8,11,14).
2. ω-3-жирные кислоты:
o α-линоленовая (С18:3, Δ9,12,15),
o тимнодоновая (эйкозопентаеновая, С20:5, Δ5,8,11,14,17),
o клупанодоновая (докозопентаеновая, С22:5, Δ7,10,13,16,19),
o цервоновая (докозогексаеновая, С22:6, Δ4,7,10,13,16,19).
Наиболее значительным источником кислот ω-3-группы служит жир рыб холодных мо-рей. Исключением является αлиноленовая кислота, имеющаяся в конопляном, льняном, куку-рузном маслах.
РОЛЬ ЖИРНЫХ КИСЛОТ
1. Именно с жирными кислотами связана самая известная функция липидов – энергети-ческая. Благодаря окислению насыщенных жирных кислот ткани организма получают более половины всей энергии (см β-окисление), только эритроциты и нервные клетки не используют их в этом качестве. Как энергетический субстрат используются, как правило, насыщенные и мононенасыщенные жирные кислоты.
2. Для длинноцепочечных (С22, С24) полиненасыщенных жирных кислот установлена функция участия в механизмах запоминания и поведенческих реакциях.
3. Еще одна, и очень важная функция ненасыщенных жирных кислот заключается в том, что они являются субстратом для синтеза эйкозаноидов – биологически активных веществ, изменяющих количество цАМФ и цГМФ в клетке, модулирующих метаболизм и активность как самой клетки, так и окружающих клеток. Иначе эти вещества называют местные или тка-невые гормоны.
Строение и обмен липидов 226
К эйкозаноидам относят окисленные производные эйкозановых кислот: эйкозотриено-вой (С20:3), арахидоновой (С20:4), тимнодоновой (С20:5) жирных кислот. Активность эйко-заноидов значительно разнится от числа двойных связей в молекуле, которое зависит от стро-ения исходной жирной кислоты.
Депонироваться эйкозаноиды не могут, разрушаются в течение нескольких секунд, и по-этому клетка должна синтезировать их постоянно из поступающих указанных жирных кис-лот.
Типы эйкозаноидов
Выделяют три группы эйкозаноидов: простагландины, лейкотриены, тромбоксаны.
Простагландины (Pg) – синтезируются практически во всех клетках, кроме эритроци-тов и лимфоцитов. Выделяют типы простагландинов A, B, C, D, E, F. Функции простагланди-нов сводятся к изменению тонуса гладких мышц бронхов, мочеполовой и сосудистой системы, желудочно-кишечного тракта, при этом направленность изменений различна в зависимости от типа простагландинов, типа клетки и условий. Они также влияют на температуру тела.
Простациклины являются подвидом простагландинов (Pg I), вызывают дилатацию мелких сосудов, но еще обладают особой функцией – ингибируют агрегацию тромбоцитов. Их активность возрастает при увеличении числа двойных связей. Синтезируются в эндотелии сосудов миокарда, матки, слизистой желудка.
Тромбоксаны (Tx) образуются в тромбоцитах, стимулируют их агрегацию и вызывают сужение сосудов. Их активность снижается при увеличении числа двойных связей.
Лейкотриены (Lt) синтезируются в лейкоцитах, в клетках легких, селезенки, мозга, сердца. Выделяют 6 типов лейкотриенов A, B, C, D, E, F. В лейкоцитах они стимулируют
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 227
подвижность, хемотаксис и миграцию клеток в очаг воспаления, в целом они активируют ре-акции воспаления, предотвращая его хронизацию. Также вызывают сокращение мускулатуры бронхов (в дозах в 100-1000 раз меньших, чем гистамин).
Синтез эйкозаноидов
Источником свободных эйкозановых кислот являются фосфолипиды клеточной мем-браны. Под влиянием специфических и неспецифических стимулов активируются фосфоли-паза А2 или комбинация фосфолипазы С и ДАГ-липазы, которые отщепляют жирную кис-лоту из положения С2 фосфолипидов.
Полиненасыщенная жирная кислота метаболизирует в основном двумя путями: цикло-оксигеназным и липоксигеназным, которые в разных клетках выражены в разной степени. Циклооксигеназный путь отвечает за синтез простагландинов и тромбоксанов, липоксигеназ-ный – за синтез лейкотриенов.
Лекарственная регуляция синтеза
Глюкокортикоиды, опосредованно через синтез специфических белков, блокируют синтез эйкозаноидов, вероятно за счет снижения связывания фосфолипидов фосфолипазой А2, что предотвращает высвобождение полиненасыщенной кислоты из фосфолипида.
Нестероидные противовоспалительные средства (аспирин, индометацин, ибупрофен) необратимо ингибируют циклооксигеназу и снижают выработку простагландинов и тром-боксанов.
Внимание исследователей к -3 кислотам привлек феномен эскимосов, коренных жителей Гренландии и коренных народов российского Заполярья. На фоне высо-кого потребления животного белка и жира и очень незначительного количества растительных продуктов у них отмечался ряд положительных особенностей:
- отсутствие заболеваемости атеросклерозом, ишемической болезнью сердца и инфарктом миокарда, инсультом, гипертонией;
- увеличенное содержание ЛПВП в плазме крови, уменьшение концентрации об-щего ХС и ЛПНП;
- сниженная агрегация тромбоцитов, невысокая вязкость крови;
- иной жирнокислотный состав мембран клеток по сравнению с европейцами – С20:5 было в 4 раза больше, С22:6 в 16 раз!
Строение и обмен липидов 228
Такое состояние назвали антиатеросклероз.
ТРИАЦИЛГЛИЦЕРОЛЫ
Триацилглицеролы (ТАГ) являются наиболее распространенными липидами в организме человека. В среднем доля их составляет 16-23% от массы тела взрослого.
ФУНКЦИИ ТРИАЦИЛГЛИЦЕРОЛОВ
1. Резервно-знергетическая – у среднего человека запасов подкожного жира хватает на под-держание жизнедеятельности в течение 40 дней полного голодания,
2. Теплосберегающая – за счет толщины подкожного жира,
3. В составе подкожной и брыжеечной жировой ткани механическая защита тела и внутрен-них органов.
В состав ТАГ входит трехатомный спирт глицерол и три жирные кислоты. Жирные кис-лоты могут быть насыщенные (пальмитиновая, стеариновая) и мононенасыщенные (пальми-толеиновая, олеиновая).
Триацилглицеролы плода и новорожденных отличаются большим содержанием насы-щенных жирных кислот. Они являются основным источником энергии и тепла для новорож-денных, т.к. запасы гликогена у младенцев малы и зачастую имеется "незрелость" фермента-тивного окисления глюкозы. Недостаточное развитие жировой прослойки повышает требова-ния к уходу за младенцами, особенно за недоношенными. Их необходимо чаще кормить, при-нимать дополнительные меры против переохлаждения.
По строению можно выделить простые и смешанные ТАГ. В простых ТАГ все жирные кислоты одинаковые, например, трипальмитат, тристеарат. В смешанных ТАГ жирные кис-лоты отличаются, например, дипальмитоилстеарат, пальмитоилолеилстеарат.
ПРОГОРКАНИЕ ЖИРОВ
Прогоркание жиров – это бытовое определение широко распространенного в природе явления. Выделяют два типа прогоркания:
o биологическое – начинается с бактериального гидролиза ТАГ и накопления свободных жирных кислот. Их дальнейшее ферментативное окисление приводит к накоплению ко-роткоцепочечных жирных кислот, β-кетокислот, альдегидов и кетонов, которые и явля-ются причиной изменения вкуса и запаха жира.
o химическое – результат окисления жирных кислот под действием О2 воздуха или под действием активных форм кислорода с образованием гидроперекисей.
В пищевых продуктах гидроперекиси далее распадаются до гидроксикислот, эпокси-дов, кетонов и альдегидов, которые вызывают изменение вкуса и запаха жира.
В клетке окисление клеточных липидов под действием активных форм кислорода (АФК) называется перекисное окисление липидов и представляет собой цепную реакцию, в
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 229
которой образование одного свободного радикала стимулирует образование других свобод-ных радикалов. В результате из полиеновых жирных кислот (L) образуются их гидроперекиси (L-OOH).
В организме перекисному окислению противодействуют антиоксидантные системы, включающие витамины Е, А, С, трипептид глутатион и ферменты (каталаза, пероксидаза, су-пероксиддисмутаза).
ФОСФОЛИПИДЫ
Фосфолипиды представляют собой соединение спирта глицерола или сфингозина с высшими жирными кислотами и фосфорной кислотой.
Глицерофосфолипиды
В организме человека наиболее распространены глицерофосфолипиды (ФЛ). В качестве их общего пред-шественника выступает фосфатидная кислота (фосфа-тидат), промежуточное соединение для синтеза триа-цилглицеролов (ТАГ) и фосфолипидов.
Жирные кислоты, входящие в состав гицеро фос-фолипидов, неравноценны. Ко второму атому углерода присоединена, как правило, полиненасыщенная жир-ная кислота. При углероде С1 находятся любые жирные кислоты, чаще мононенасыщеннные.
В состав ФЛ входят азотсодержащие соединения серин, этаноламин, холин, цикличе-ский шестиатомный спирт инозитол (витамин В8).
Функции
Фосфатидилсерин (ФС), фосфатидилэтаноламин (ФЭА, кефалин), фосфатидилхолин (ФХ, лецитин) – структурные ФЛ, вместе с холестерином формируют липидный бислой кле-точных мембран. От их жирнокислотного состава зависит активность мембранных ферментов, вязкость и проницаемость мембран.
Наиболее широкими функциями обладает фосфатидилхолин:
o входит в состав желчи и, вместе с желчными кислотами, участвует в эмульгировании пищевых липидов в просвете кишечника,
Строение и обмен липидов 230
o присутствуя в желчи, поддерживает находящийся здесь холестерин в растворенном со-стоянии и улучшает выведение его из организма,
o обеспечивает формирование внешнего гидрофильного слоя транспортных липопротеи-нов крови,
o дипальмитоилфосфатидилхолин, являясь поверхностно-активным веществом, служит основным компонентом сурфактанта легочных альвеол.
Недостаток в легких недоношенных младенцев фосфатидилхолина приводит к раз-витию синдрома дыхательной недостаточности.
Фосфатидилинозитол (ФИ) – играет ведущую роль в фосфолипид-кальциевом меха-низме передачи гормонального сигнала в клетку.
Лизофосфолипиды – продукт гидролиза фосфолипидов фосфолипазой А2, образуются катаболизме фосфолипидов или при определенных стимулах, вызывающих в клетке синтез эйкозаноидов (простагландинов, тромбоксанов, лейкотриенов).
Плазмалогены при С1 содержат высший спирт вместо жирной кислоты. Они участвуют в построении мембран, составляют до 10% фосфолипидов мозга и мышечной ткани.
Гораздо более редким является кардиолипин – структурный фосфолипид в мембране митохондрий.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 231
Сфингофосфолипиды
Основным представителем у чело-века являются сфингомиелины – наибольшее их количество расположено в сером и белом веществе головного и спинного мозга, в оболочке аксонов пе-риферической нервной системы, есть в печени, почках, эритроцитах и других тканях. В качестве жирных кислот высту-пают насыщенные и мононенасыщенные кислоты.
ХОЛЕСТЕРОЛ
Холестерол относится к группе соединений, имею-щих в своей основе циклопентанпергидрофенантреновое кольцо, и является ненасыщенным спиртом.
ФУНКЦИИ ХОЛЕСТЕРОЛА
1. Структурная – входит в состав мембран, обусловли-вая их вязкость и жесткость.
2. Переносит полиненасыщенные жирные кислоты между органами и тканями в составе липопротеинов низкой и высокой плотности.
3. Является предшественником желчных кислот, стероидных гормонов и витамина D.
Примерно 1/4 часть всего холестерола в организме этерифицирована олеиновой кисло-той и полиненасыщенными жирными кислотами. В плазме крови соотношение эфиров холе-стерола к свободному холестеролу составляет 2:1.
ГЛИКОЛИПИДЫ
Гликолипиды широко представлены в нервной ткани и мозге. Размещаются они в наружном монослое плазматических мембран, при этом олигосахаридные цепи направлены наружу. Функции гликолипидов изу-чены недостаточно, они обладают рецепторной функ-цией, участвуют в межклеточных взаимодействиях и контактах, являются антигенами клеточной поверхно-сти (группы крови Lewis и AB0).
Большую часть гликолипидов составляют гли-косфинголипиды, включающие церамид (соединение аминоспирта сфингозина с длинноцепочечной жирной кислотой) и один или несколько остатков сахаров.
В нервной ткани главным цереброзидом является галактозилцерамид. Для других тка-ней более характерны глюкозилцерамиды.
Еще одна группа гликолипидов, широко представленных в мозге – ганглиозиды. Они образуются из глюкозилцерамида и дополнительно содержат одну или несколько молекул сиаловой кислоты, моносахаров и их производных (сульфосахаров и аминосахаров).
Строение и обмен липидов 232
Если моносахариды несут на себе сульфогруппу, то такие гликолипиды называют суль-фолипидами.
ВНЕШНИЙ ОБМЕН ЛИПИДОВ
Потребность в липидах взрослого организма составляет 80-100 г в сутки, из них расти-тельных (жидких) жиров должно быть не менее 30%.
С пищей в основном поступают триацилглицеролы, фосфолипиды и эфиры ХС. Перева-ривание липидов осложняется тем, что их молекулы полностью или частично гидрофобны. Для преодоления этой помехи используется процесс эмульгирования, когда гидрофобные мо-лекулы (ТАГ, эфиры ХС) или гидрофобные части молекул (жирные кислоты в составе ФЛ, циклическая структура ХС) погружаются внутрь мицеллы, а гидрофильные остаются на по-верхности, обращенной к водной фазе.
Условно внешний обмен липидов можно подразделить на следующие этапы:
1. Эмульгирование жиров пищи – необходимо для того, чтобы ферменты ЖКТ смогли начать работу.
2. Гидролиз триацилглицеролов, фосфолипидов и эфиров ХС под влиянием ферментов ЖКТ.
3. Образование мицелл из продуктов переваривания (жирных кислот, МАГ, холестерола).
4. Всасывание образованных мицелл в эпителий кишечника. Однако короткие жирные кис-лоты (до 10 атомов углерода) всасываются вне мицелл сразу в воротную вену. Этот про-цесс важен для грудных детей, т.к. молоко содержит в основном коротко- и среднецепо-чечные жирные кислоты.
5. Ресинтез триацилглицеролов, фосфолипидов и эфиров ХС в энтероцитах.
После ресинтеза липидов в кишечнике они собираются в транспортные формы – хило-микроны (основные) и ЛПВП (малое количество) – и разносятся по организму.
РОТОВАЯ ПОЛОСТЬ
У взрослых в ротовой полости переваривание липидов не идет, хотя длительное переже-вывание пищи способствует частичному эмульгированию жиров.
ЖЕЛУДОК
Собственная липаза желудка у взрослого не играет существенной роли в переваривании липидов из-за ее небольшого количества и того, что ее оптимум рН 4,5-5,5. Также влияет от-сутствие эмульгированных жиров в обычной пище (кроме молока).
Тем не менее, у взрослых теплая среда и перистальтика желудка вызывает некоторое эмульгирование жиров. При этом даже низко активная липаза расщепляет незначительные ко-личества жира, что важно для дальнейшего переваривания жиров в кишечнике, т.к. наличие хотя бы минимального количества свободных жирных кислот облегчает эмульгирование жи-ров в двенадцатиперстной кишке и стимулирует секрецию панкреатической липазы.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 233
КИШЕЧНИК
Под влиянием перистальтики ЖКТ и составных компонентов желчи (желчные кислоты, фосфатидилхолин) пищевой жир эмульгируется. Образующиеся позднее лизофосфолипиды также являются хорошим поверхностно-активным веществом, поэтому они способствуют эмульгированию пищевых жиров и образованию мицелл. Размер капель такой жировой эмуль-сии не превышает 0,5 мкм.
Переваривание ТАГ в кишечнике осуществляется под воздействием панкреатической липазы с оптимумом рН 8,0-9,0. В кишечник она поступает в виде пролипазы, для проявления ее активности требуется колипаза, которая помогает липазе расположиться на поверхности липидной капли.
Колипаза, в свою очередь, активируется трипсином и затем образует с липазой комплекс в соотношении 1:1. Примерно 3/4 ТАГ после гидролиза остаются в форме 2-МАГ и только 1/4 часть ТАГ гидролизуется полностью. 2-МАГ всасываются или превращаются моноглице-рол-изомеразой в 1-МАГ. Последний гидро-лизуется до глицерола и жирной кислоты. Свободный глицерол всасывается напрямую в кровь.
В панкреатическом соке также имеется активируемая трипсином фосфолипаза А2, обнаружена активность фосфолипазы С и лизофосфолипазы. В кишечном соке име-ется активность фосфолипазы А2 и С.
Имеются также данные о наличии в других клетках организма фосфолипаз А1 и D.
Гидролиз эфиров ХС осуществляет холестерол-эстераза панкреатического сока.
В результате воздействия на эмульгированные жиры ферментов панкреатического и ки-шечного соков образуются лизофосфолипиды, 2-моноацилглицеролы, жирные кислоты и
Строение и обмен липидов 234
свободный холестерол, формирующие при участии желчных кислот структуры мицелляр-ного типа (размер около 5 нм). Полученные мицеллы достигают эапителия кишечника и их составляющие диффундируют в клетки и попадают сразу в гладкую эндоплазматическую сеть. Желчные кислоты здесь почти не всасываются и остаются в просвете кишечника.
СВОЙСТВА, СОСТАВ И ФУНКЦИИ ЖЕЛЧИ
Свойства и состав
Желчь представляет собой сложную жидкость. В печеночной желчи доля сухого остатка около 3%, воды – 97%, величина pH 7,3-8,2. Пузырная желчь из-за реабсорбции воды концен-трируется, и доля воды уже составляет только 80-85%, pH более кислая, около 6,7.
В сухом остатке обнаруживается две группы веществ:
o попавшие сюда путем фильтрации из крови натрий, калий, бикарбонат-ионы, креатинин, холестерол, фосфатидилхолин,
o активно секретируемые гепатоцитами билирубин и желчные кислоты.
В норме между основными компонентами желчи выдерживается соотношение желчные кислоты : ФХ : ХС равное 65:12:5.
В сутки образуется около 10 мл желчи на кг массы тела, таким образом, у взрослого че-ловека это составляет 500-700 мл. Желчеобразование идет непрерывно, хотя интенсивность на протяжении суток резко колеблется.
Роль желчи
1. Вместе с панкреатическим соком нейтрализация кислого химуса, поступающего из же-лудка. При этом карбонаты взаимодействуют с НСl, выделяется углекислый газ и проис-ходит разрыхление химуса, что облегчает переваривание.
2. Усиление перистальтики кишечника.
3. Обеспечивает переваривание жиров:
o эмульгирование для последующего воздействия липазой, необходима комбинация [желчные кислоты+жирные кислоты+МАГ],
o уменьшает поверхностное натяжение, что препятствует сливанию капель жира,
o образование мицелл, способных всасываться.
4. Благодаря п.п.1 и 2 обеспечивает всасывание жирорастворимых витаминов.
5. Экскреция избытка ХС, желчных пигментов, креатинина, металлов Zn, Cu, Hg, лекарств. Для ХС желчь – единственный путь выведения, с ней может выводиться 1-2 г/сут.
Образование желчных кислот
Синтез желчных кислот включает 17 реакций и идет в эндоплазматическом ретикулуме при участии цитохрома Р450, кислорода, НАДФН и аскорбиновой кислоты. Большая доля хо-лестерина (75%), синтезируемого в печени, используется в синтезе желчных кислот.
В печени синтезируются первичные желчные кислоты – холевая (гидроксилирована по С3, С7, С12) и хенодезоксихолевая (гидроксилирована по С3, С7), затем они образуют парные желчные киcлоты – конъюгаты с глицином (гликопроизводные) и с таурином (тауропроиз-водные), в соотношении 3:1 соответственно.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 235
В дистальных отделах кишечника под действием микрофлоры эти желчные кислоты те-ряют ОН-группу при С7 и превращаются во вторичные желчные кислоты – дезоксихолевую (гидроксилирована по С3 и С12) и литохолевую (гидроксилирована только по С3).
Кишечно-печеночная циркуляция
Кишечно-печеночная циркуляция – это непрерывная секреция желчных кислот из пе-чени в просвет кишечника и реабсорбция их большей части в подвздошной кишке, что сбере-гает ресурсы холестерола. В сутки происходит 6-10 таких циклов. Таким образом, небольшое количество желчных кислот (всего 3-5 г) обеспечивает переваривание липидов, поступающих в течение суток. Потери в размере около 0,5 г/сут соответствуют суточному синтезу холесте-рола de novo.
Строение и обмен липидов 236
Нарушение желчеобразования
Нарушение желчеобразования чаще всего связано с хроническим избытком ХС в орга-низме вообще и в желчи в частности, так как желчь является единственным способом его вы-ведения.
Избыток ХС в печени возникает при увеличении количества материала для его синтеза (ацетил-SКоА) и снижении активности 7-гидроксилазы (гиповитаминозы С и B3).
Избыток ХС в желчи может быть абсолютным – в результате избыточного синтеза ХС и/или его потребления с пищей, или относительным. Так как соотношение желчных кислот, фосфолипидов и холестерола должно составлять 65:12:5, то относительный избыток возникает при недостаточном синтезе желчных кислот (гиповитаминозы С, В3, В5) и/или фосфатидил-холина (недостаток полиненасыщенных жирных кислот, витаминов В6, В9, В12). В результате нарушения соотношения образуется желчь, из которой холестерол, как плохо растворимое со-единение, кристаллизуется. Далее к кристаллам присоединяются ионы кальция и билирубин, что сопровождается образованием желчных камней.
Застой в желчном пузыре, возникающий при неправильном питании, приводит к сгуще-нию желчи из-за реабсорбции воды. Недостаток потребления воды или длительный прием мо-чегонных средств (лекарства, кофеин-содержащие продукты, этанол) также усугубляет эту проблему.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 237
Лечение
1. Урсосан (включает урсодезоксихолевую кислоту) вызывает снижение осаждения ХС и растворение ХС камней. По данным авторов, камни размером с горошину без билирубино-вых наслоений при соблюдении диеты растворяются в течение полугода.
2. Ингибирование ключевого фермента синтеза холестерола гидрокси-метилглутарил-SКоА-редуктазы при помощи ловастатина снижает в 2 раза синтез ХС (но, соответственно, и желчных кислот).
3. Предотвращение всасывания холестерола в желудочно-кишечном тракте за счет его адсорбции при помощи холестираминовых смол (Questran).
ПЕРЕВАРИВАНИЕ ЛИПИДОВ У ДЕТЕЙ
У младенцев клетками слизистой корня языка и глотки (железы Эбнера) при сосании секретируется лингвальная липаза, продолжающая свое действие и в желудке.
У грудных младенцев и детей младшего возраста липаза желудка более активна, чем у взрослых, так как кислотность в желудке детей около 5,0. Помогает и то, что жиры молока эмульгированы. Жиры у младенцев дополнительно перевариваются за счет липазы, содержа-щейся в женском молоке, в коровьем молоке липаза отсутствует. Благодаря таким преиму-ществам у детей грудного возраста в желудке происходит 25-50% всего липолиза.
В двенадцатиперстной кишке гидролиз жира дополнительно осуществляется панкреа-тической липазой. До 7 лет активность панкреатической липазы невысока, ее активность до-стигает максимума к 8-9 годам. Но, тем не менее, это не мешает уже в первые месяцы жизни ребенка достигать почти 100% гидролиза жира и 95% всасывания.
В грудном возрасте содержание желчных кислот в желчи увеличивается примерно в три раза, позднее этот процесс замедляется.
НАРУШЕНИЕ ПЕРЕВАРИВАНИЯ ЛИПИДОВ
При снижении переваривания и всасывания липидов содержание жира в кале резко уве-личивается – развивается стеаторея.
Причинами таких нарушений являются:
1. Снижение желчеобразования в результате недостаточного синтеза желчных кислот и фос-фолипидов при болезнях печени, гиповитаминозах.
2. Снижение желчевыделения (обтурационная желтуха, билиарный цирроз, желчнокаменная болезнь). У детей часто причиной может быть перегиб желчного пузыря, который сохра-няется и во взрослом состоянии.
3. Снижение переваривания при недостатке панкреатической липазы, который возникает при заболеваниях поджелудочной железы (острый и хронический панкреатит, острый некроз, склероз). Может возникать относительная недостаточность фермента при снижен-ном выделении желчи.
4. Избыток в пище катионов кальция и магния, которые связывают жирные кислоты, пере-водят их в нерастворимое состояние и препятствуют их всасыванию. Эти ионы также свя-зывают желчные кислоты, нарушая их работу.
5. Снижение всасывания при повреждении стенки кишечника токсинами, антибиотиками (неомицин, хлортетрациклин).
6. Недостаточность синтеза пищеварительных ферментов и ферментов ресинтеза липидов в энтероцитах при белковой и витаминной недостаточности.
Строение и обмен липидов 238
ВСАСЫВАНИЕ ЛИПИДОВ
Происходит в верхнем отделе тонкого кишечника в начальные 100 см. В норме всасыва-ется 98% пищевых липидов.
1. Короткие жирные кислоты (не более 10 атомов углерода) всасываются и переходят в кровь без каких-либо особенных механизмов. Глицерол тоже всасывается напрямую.
2. Другие продукты переваривания (жирные кислоты, холестерол, моноацилглицеролы) образуют с желчными кислотами мицеллы с гидрофильной поверхностью и гидрофобным ядром. Размеры мицелл в 100 раз меньше самых мелких эмульгированных жировых капелек. Через водную фазу мицеллы мигрируют к щеточной каемке слизистой оболочки.
На поверхности плазматической мембраны энтероцитов мицеллы распадаются, и липид-ные компоненты диффундируют внутрь клетки, после чего переносятся в эндоплазматический ретикулум. Желчные кислоты частично также могут попадать в клетки и далее в кровь ворот-ной вены, однако большая их часть остается в химусе и достигает подвздошной кишки, где всасывается при помощи активного транспорта.
РЕСИНТЕЗ ЛИПИДОВ В СТЕНКЕ КИШЕЧНИКА
Ресинтез липидов – это синтез липидов в стенке кишечника из поступающих сюда экзо-генных жиров, иногда могут использоваться и эндогенные жирные кислоты. Основная задача этого процесса – связать поступившие с пищей средне- и длинноцепочечные жирные кислоты с глицеролом или холестеролом. Это позволит их переносить по крови в ткани.
Поступившая в энтероцит (как и в любую другую клетку) жирная кислота обязательно активируется через присоединение коэнзима А.
Ресинтез триацилглицеролов
Образовавшийся ацил-SКоА участвует в реакциях ресинтеза триацилглицеролов по двум независимым путям.
Первый путь, основной – 2-моноацилглицеридный – происходит при участии экзоген-ных 2-МАГ и ЖК в гладком эндоплазматическом ретикулуме энтероцитов: мультифермент-ный комплекс триацилглицерол-синтазы формирует ТАГ.
Также существует второй, глицеролфосфатный путь, т.к. 1/4 часть ТАГ в кишечнике полностью гидролизуется и возникает относительный избыток жирных кислот, для которых не хватает глицерола. Источником глицерол-3-фосфата служит окисление глюкозы, так как пищевой глицерол быстро покидает энтероциты и уходит в кровь. Здесь можно выделить сле-дующие реакции:
1. Образование глицерол-3-фосфата из глюкозы.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 239
2. Превращение глицерол-3-фосфата в фосфатидную кислоту.
3. Превращение фосфатидной кислоты в ДАГ.
4. Синтез ТАГ.
Ресинтез эфиров холестерола
Холестерол этерифицируется с использованием ацил-SКоА и фермента ацил-КоА:хо-лестерол-ацилтрансферазы (АХАТ). Реэтерификация холестерола напрямую влияет на его всасывание в кровь. В настоящее время ищутся возможности подавления этой реакции для снижения концентрации ХС в крови.
Ресинтез фосфолипидов
Фосфолипиды ресинтезируются двумя путями – с использованием 1,2-ДАГ для синтеза фосфатидилхолина или фосфатидилэтаноламина, либо через фосфатидную кислоту при син-тезе фосфатидилинозитола (см "Биосинтез фосфолипидов").
Строение и обмен липидов 240
ФОРМЫ ТРАНСПОРТА ЛИПИДОВ В КРОВИ
Липиды транспортируются в водной фазе крови в составе особых частиц – липопротеи-нов. Поверхность частиц гидрофильна и сформирована белками, фосфолипидами и свобод-ным холестеролом. Триацилглицеролы и эфиры холестерола составляют гидрофобное ядро.
Белки в липопротеинах обычно называ-ются апобелками, выделяют несколько их ти-пов – А, В, С, D, Е. В каждом классе липопроте-инов находятся соответствующие ему апобелки, выполняющие структурную, ферментатив-ную и кофакторную функции.
Липопротеины различаются по соотноше-нию триацилглицеролов, холестерола и его эфи-ров, фосфолипидов и как сложные белки со-стоят из четырех классов.
o хиломикроны (ХМ),
o липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП, пре-β-липопротеины, пре-β-ЛП),
o липопротеины низкой плотности (ЛПНП, β-липопротеины, β-ЛП),
o липопротеины высокой плотности
(ЛПВП, αлипопротеины, αЛП).
Хиломикроны и ЛПОНП ответственны, в первую очередь, за транспорт жирных кислот в составе ТАГ. Липопротеины высокой и низкой плотности – за транспорт холестерола и жир-ных кислот в составе эфиров ХС.
ТРАНСПОРТ ТРИАЦИЛГЛИЦЕРОЛОВ
Транспорт ТАГ от кишечника к тканям (экзогенные ТАГ) осуществляется в виде хи-ломикронов, от печени к тканям (эндогенные ТАГ) – в виде липопротеинов очень низкой плотности.
В транспорте ТАГ к тканям в целом можно выделить последовательность следующих событий:
1. Образование незрелых первичных ХМ в кишечнике.
2. Движение первичных ХМ через лимфатические протоки в кровь.
3. Созревание ХМ в плазме крови – получение белков апоС-II и апоЕ от ЛПВП.
4. Взаимодействие с липопротеинлипазой эндотелия капилляров и потеря большей части ТАГ. Образование остаточных ХМ.
5. Переход остаточных ХМ в гепатоциты и полный распад их структуры.
6. Синтез ТАГ в печени из пищевой глюкозы и использование ТАГ, пришедших в составе остаточных ХМ.
7. Образование первичных ЛПОНП в печени.
8. Созревание ЛПОНП в плазме крови – получение белков апоС-II и апоЕ от ЛПВП.
9. Взаимодействие с липопротеинлипазой эндотелия капилляров и потеря большей части ТАГ. Образование остаточных ЛПОНП (по-другому липопротеины промежуточной плот-ности, ЛППП).
10. Остаточные ЛПОНП переходят в гепатоциты и полностью распадаются, либо остаются в плазме крови. После воздействия на них печеночной ТАГ-липазы в синусоидах печени ЛПОНП превращаются в ЛПНП.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 241
ХАРАКТЕРИСТИКА ХИЛОМИКРОНОВ
Общая характеристика
1. Формируются в кишечнике из ресинтезированных жиров.
2. В их составе преобладают ТАГ (до 90%), мало белка, фосфолипидов и холестерола.
3. Основным апобелком является апоВ-48, это структурный липопротеин. В плазме крови ХМ получают от ЛПВП белки апоС-II и апоЕ.
4. В норме натощак не обнаруживаются, в крови появляются после приема пищи, поступая из лимфы через грудной лимфатический проток, и исчезают через 10-12 часов.
5. Не атерогенны.
Функция
Транспорт экзогенных ТАГ из кишечника в ткани, запасающие или использующие жиры, в основном, в жировую ткань, миокард, скелетные мышцы, лактирующую молочную железу, в меньшей степени в костный мозг, легкие, почки, селезенку. На эндотелии капилля-ров этих тканей имеется фермент липопротеинлипаза.
Строение и обмен липидов 242
Метаболизм
1. После ресинтеза жиров в эпителиоцитах кишечника формируются первичные хиломик-роны, имеющие только апоВ-48.
2. Из-за большого размера они не проникают напрямую в кровеносное русло и эвакуируются через лимфатическую систему, попадая в кровь через грудной лимфатический проток.
3. В крови хиломикроны взаимодействуют с ЛПВП и приобретают от них апоС-II и апоЕ, образуя зрелые формы. Белок апоС-II явля-ется кофактором фермента липопротеинли-пазы, белок апоЕ необходим для удаления из крови остаточных хиломикронов в пе-чень.
4. На эндотелии капилляров вышеперечислен-ных тканей находится фермент липопро-теинлипаза (ЛПЛ). Количество фермента в жировой ткани увеличивается при действии инсулина.
5. После взаимодействия хиломикрона с фер-ментом триацилглицеролы, находящиеся в составе хиломикронов, гидролизуются с образованием свободных жирных кислот и мо-ноацилглицеролов Жирные кислоты перемещаются в клетки органа, либо остаются в плазме крови и в комплексе с альбумином разносятся с кровью в другие ткани. Липопро-теинлипаза способна расщепить до 90% всех ТАГ, находящихся в хиломикроне или ЛПОНП.
6. После окончания работы ЛПЛ остаточные хиломикроны попадают в гепатоциты посред-ством апоЕ-рецепторного эндоцитоза и разрушаются.
ХАРАКТЕРИСТИКА ЛИПОПРОТЕИНОВ ОЧЕНЬ НИЗКОЙ ПЛОТНОСТИ
Общая характеристика
1. Синтезируются в печени из эндогенных и экзогенных липидов,
2. В их составе преобладают ТАГ, около 40% от массы составляют белки, фосфолипиды и холестерол,
3. Основным белком является апоВ-100, выполняющий структурную функцию,
4. В норме концентрация 1,3-2,0 г/л,
5. Слабо атерогенны.
Функция
Транспорт эндогенных и экзогенных ТАГ от печени в ткани, запасающие и использую-щие жиры.
Метаболизм
1. Первичные ЛПОНП образуются в печени из пищевых жиров, достигающих гепатоцитов с остаточными хиломикронами, и новосинтезированных из глюкозы жиров, содержат только апоВ-100;
2. В крови первичные ЛПОНП взаимодействуют с ЛПВП и приобретают от них апоС-II и апоЕ, образуя зрелые формы.
3. Аналогично хиломикронам, на эндотелии капилляров ряда тканей зрелые ЛПОНП подвер-гаются воздействию липопротеинлипазы с образованием свободных жирных кислот. Жир-ные кислоты перемещаются в клетки органа, либо остаются в плазме крови и в комплексе с альбумином разносятся с кровью в другие ткани.
4. Остаточные ЛПОНП (также называемые липопротеины промежуточной плотности, ЛППП)
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 243
o либо попадают в гепатоциты посредством эндоцитоза, связанного с рецепторами к апоЕ и апоВ-100-белкам,
o либо после воздействия на них липазы печени (только в синусоидах печени) превраща-ются в следующий класс липопротеинов – липопротеины низкой плотности (ЛПНП).
ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ ОБМЕН ЛИПИДОВ
ИСТОЧНИКИ И СУДЬБА ЖИРНЫХ КИСЛОТ
Жирные кислоты входят в состав большей части липидов. Поэтому вопросы метабо-лизма липидов – это часто вопросы обмена жирных кислот, их источники и пути дальнейших превращений.
Судьба жирной кислоты зависит от ее строения (насыщенная ЖК или полиненасыщен-ная ЖК) и от внутриклеточных условий (наличие или отсутствие энергии в клетке, гормональ-ные влияния).
Абсорбтивный период
В течение нескольких часов после приема пищи насыщенные и мононенасыщенные жир-ные кислоты (НЖК) поступают от кишечника в определенные ткани из хиломикронов.
Параллельно в этот период времени в печени жирные кислоты способны синтезиро-ваться из избытка экзогенной глюкозы и полученные эндогенные жирные кислоты этерифи-цируются с глицеролом в реакциях липогенеза с образованием ТАГ. Далее они транспорти-руются из печени в ткани, имеющие липопротеинлипазу, в составе ЛПОНП.
В клетках жировой ткани после приема пищи насыщенная жирная кислота либо синте-зируется из глюкозы, либо поступает из хиломикронов и ЛПОНП. Далее она направляется в липогенез и запасается в составе ТАГ.
Строение и обмен липидов 244
Если липопротеинлипазы нет в ткани, то жирная кислота доставляется сюда в ком-плексе с альбумином. Этот комплекс образуется после работы липопротеинлипазы в других тканях.
Полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК) обычно поступают в клетки в виде эфи-ров холестерола и в составе фосфолипидов ЛПВП и ЛПНП. Эти кислоты необходимы для син-теза эйкозаноидов в некоторых видах клеток, либо они участвуют в синтезе фосфолипидов для мембран клетки.
Голодание и мышечная работа
При голодании хиломикроны и ЛПОНП в крови отсутствуют. Так как данному состоя-нию обычно сопутствует гипогликемия, то для ее компенсации из поджелудочной железы сек-ретируется глюкагон. Под влиянием глюкагона и других гормонов в жировых депо активиру-ется расщепление ТАГ до жирных кислот и глицерола (липолиз). Транспорт жирных кислот, вышедших в кровь, осуществляется альбумином.
В состоянии покоя, когда процессы пищеварения уже закончились, при длительном го-лодании (более 20 часов) и при физической нагрузке в большинстве клеток, кроме нейронов и эритроцитов, жирные кислоты используются для образования энергии в процессах -окис-ления и ЦТК (50% и более всей энергии клетки).
В печени при длительном голодании жирная кислота направляется в кетогенез на син-тез кетоновых тел.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТРИАЦИЛГЛИЦЕРОЛОВ
Распад ТАГ (липолиз, мобилизация жира) идет в жировых клетках постоянно и обычно существует равновесие между синтезом и распадом ТАГ. В состоянии покоя печень, сердце, скелетные мышцы и другие ткани (кроме эритроцитов и нейроцитов) более 50% энергии по-лучают из окисления жирных кислот, поступающих из жировой ткани благодаря фоновому липолизу.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 245
Мобилизация жира активируется
o при нормальных физиологических стрессовых ситуациях – эмоциональный стресс, мы-шечная работа, голодание,
o при патологических состояниях – сахарный диабет I типа, другие гормональные заболе-вания: гиперкортицизм, гипертиреоз.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МОБИЛИЗАЦИИ ЖИРОВ
В целом мобилизацию жира можно представить как последовательность следующих со-бытий:
1. Липолиз – гормонзависимый распад ТАГ в жировой ткани (см ниже) или резервных ТАГ в самой клетке.
2. Транспорт жирных кислот из жировой ткани по крови в комплексе с альбумином.
3. Проникновение жирной кислоты в цитозоль клетки-мишени.
4. Активация жирной кислоты через присоединение HS-КоА.
5. Карнитин-зависимое перемещение жирной кислоты в митохондрию.
6. Окисление жирной кислоты с образованием ацетильных групп (ацетил-SКоА).
7. Сгорание ацетил-SКоА в цикле лимонной кислоты или синтез (только в печени) кетоновых тел.
ГОРМОНЗАВИСИМАЯ АКТИВАЦИЯ ТАГ-ЛИПАЗЫ
Гормонзависимая активация ТАГ-липазы адипоцитов адреналином и глюкагоном про-исходит при напряжении организма (голодание, длительная мышечная работа, охлаждение). В первую очередь активность ТАГ-липазы зависит от соотношения инсулин/глюкагон.
В целом последовательность событий липолиза выглядит следующим образом:
1. Молекула гормона (адреналин, глюкагон, АКТГ, СТГ) взаимодействует со своим рецепто-ром.
2. Активный гормон-рецепторный комплекс воздействует на мембранный G-белок.
3. G-белок активирует фермент аденилатциклазу.
Строение и обмен липидов 246
4. Аденилатциклаза превращает АТФ в циклический АМФ (цАМФ) – вторичный посредник (мессенджер).
5. цАМФ аллостерически активирует фермент протеинкиназу А.
6. Протеинкиназа А фосфорилирует ТАГ-липазу и активирует ее.
7. ТАГ-липаза отщепляет от триацилглицеролов жирную кислоту в 1 или 3 положении с обра-зованием ДАГ. Кроме ТАГ-липазы, в адипоцитах имеются еще ДАГ-липаза и МАГ-липаза, активность которых высока и постоянна, однако в покое она не проявляется из-за отсут-ствия субстрата. Как только в клетке появляются ДАГ, начинает работать постоянно ак-тивная ДАГ-липаза, продукт ее реакции МАГ является субстратом для МАГ-липазы.
Кроме гормонов, влияющих на активность аденилатциклазы через G-белки, существуют иные механизмы регуляции. Например, соматотропный гормон увеличивает количество аде-нилатциклазы, глюкокортикоиды способствуют синтезу ТАГ-липазы.
Инсулин препятствует влиянию остальных гормонов на липолиз, т.к. он активирует фер-мент фосфодиэстеразу, которая гидролизует цАМФ и, следовательно, снижает активность ТАГ-липазы. Также он активирует протеинфосфатазы, дефосфорилирующие ТАГ-липазу.
ТРАНСПОРТ ЖИРНЫХ КИСЛОТ И ГЛИЦЕРОЛА
В результате липолиза в адипоцитах образуются свободный глицерол и жирные кислоты.
Глицерол с кровью доставляется в печень и почки, здесь фосфорилируется и окисляется в метаболит гликолиза диоксиацетонфосфат. В зависимости от условий ДОАФ может вклю-чаться в реакции глюконеогенеза (при голодании, мышечной нагрузке) или окисляться в гли-колизе до пировиноградной кислоты.
Жирные кислоты транспортируются в крови в комплексе с альбуминами плазмы:
o при физической нагрузке – в мышцы,
o в обычных условиях и при голодании – в мышцы и большинство тканей, однако при этом около 30% жирных кислот захватывается печенью.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 247
При голодании и физической нагрузке после проникновения в клетки жирные кислоты вступают на путь β-окисления.
-ОКИСЛЕНИЕ ЖИРНЫХ КИСЛОТ
Реакции β-окисления происходят в митохондриях большинства клеток ор-ганизма (кроме нервных клеток). Для окисления используются жирные кис-лоты, поступающие в цитозоль из крови или появляющиеся при внутриклеточном липолизе ТАГ.
1. Прежде, чем проникнуть в матрикс ми-тохондрий и окислиться, жирная кислота в цитозоле должна активироваться. Это осу-ществляется присоединением коэнзима А с образованием ацил-SКоА. Ацил-SКоА явля-ется высокоэнергетическим соединением. Необратимость реакции достигается гидроли-зом дифосфата на две молекулы фосфорной кислоты.
2. Ацил-SКоА не способен проходить через митохондриальную мембрану, поэтому суще-ствует способ переноса жирной кислоты в комплексе с витаминоподобным веществом карнитином. На наружной мембране митохондрий имеется фермент карнитин-аци-лтрансфераза I.
3. После связывания с карнитином жирная кислота переносится через мембрану транслоказой. Здесь на внутренней стороне мембраны фермент карнитин-ацилтрансфераза II вновь об-разует ацил-SКоА который вступает на путь β-окисления.
4. Процесс собственно β-окисления состоит из 4-х реакций, повторяющихся циклически. В них последовательно происходит окисление, гидратирование и вновь окисление 3-го атома углерода (β-положение). В последней реакции от жирной кислоты отщепляется ацетил-SКоА. Оставшаяся укороченная на два углерода жирная кислота возвращается к первой реакции и все повторяется снова, до тех пор, пока в последнем цикле не образуются два ацетил-SКоА.
Строение и обмен липидов 248
Окисление жирных кислот с нечетным числом углеродных атомов
Жирные кислоты с нечетным числом углеродов поступают в организм с растительной пищей и морепродуктами. Их β-окисление происходит по обычному пути до последней реак-ции, в которой образуется пропионил-SКоА. Суть превращений пропионил-SКоА сводится к его карбоксилированию, изомеризации и образованию сукцинил-SКоА, используемому в ЦТК. В этих реакциях участвуют биотин (витамин H) и дезоксиаденозилкобаламин (вита-мин В12).
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 249
Окисление ненасыщенных жирных кислот
При окислении ненасыщенных жирных кислот возникает потребность клетки в допол-нительных ферментах изомеразах. Эти изомеразы перемещают двойные связи в жирнокис-лотных остатках из - в β-положение, и переводят природные двойные связи из цис- в транс-положение.
Таким образом, уже имеющаяся двойная связь готовится к β-окислению и пропускается первая реакция цикла, в которой участвует ФАД.
Расчет энергетической ценности и коэффициента Р/О при -окислении жирных кислот
Ранее при расчете эффективности окисления коэффициент P/O для НАДH прини-мался равным 3,0, для ФАДH2 – 2,0.
По современным данным значение коэффициента P/O для НАДH соответствует 2,5, для ФАДH2 – 1,5.
При расчете количества АТФ, образуемого при β-окислении жирных кислот необходимо учитывать:
o количество образуемого ацетил-SКоА – определяется обычным делением числа атомов углерода в жирной кислоте на 2.
o число циклов β-окисления. Число циклов β-окисления легко определить исходя из пред-ставления о жирной кислоте как о цепочке двухуглеродных звеньев. Число разрывов между звеньями соответствует числу циклов β-окисления. Эту же величину можно под-считать по формуле (n/2 -1), где n – число атомов углерода в кислоте.
o наличие двойных связей в жирной кислоте. В первой реакции β-окисления происходит образование двойной связи при участии ФАД. Если двойная связь в жирной кислоте уже имеется, то необходимость в этой реакции отпадает и ФАДН2 не образуется. Количество
Строение и обмен липидов 250
необразованных ФАДН2 соответствует числу двойных связей. Остальные реакции цикла идут без изменений.
o количество энергии АТФ, потраченной на активацию.
Пример 1. Окисление пальмитиновой кислоты
Так как имеется 16 атомов углерода, то при β-окислении образуется 8 молекул аце-тил-SКоА. Последний поступает в ЦТК, при его окислении в одном обороте цикла образуется 3 молекулы НАДН (7,5 АТФ), 1 молекула ФАДН2 (1,5 АТФ) и 1 молекула ГТФ, что эквива-лентно 10 молекулам АТФ. Итак, 8 молекул ацетил-SКоА обеспечат образование 8×10=80 мо-лекул АТФ.
Для пальмитиновой кислоты число циклов β-окисления равно 7. В каждом цикле об-разуется 1 молекула ФАДН2 (1,5 АТФ) и 1 молекула НАДН (2,5 АТФ). Поступая в дыхатель-ную цепь, в сумме они "дадут" 4 молекулы АТФ. Таким образом, благодаря 7 циклам образу-ется 7×4=28 молекул АТФ.
Двойных связей в пальмитиновой кислоте нет.
На активацию жирной кислоты идет 1 молекула АТФ, которая, однако, гидролизуется до АМФ, то есть тратятся 2 макроэргические связи.
Таким образом, суммируя, получаем 80+28–2 =106 молекул АТФ.
Для расчета коэффициента P/O (см "Окислительное фосфорилирование/Коэффициент P/O") подсчитываем
o количество АТФ, образованного в митохондриях АТФ-синтазой – это соответствует зна-чению P,
o общее количество НАДН и ФАДН2, поступивших в дыхательную цепь – это значение соответствует числу восстановленных атомов кислорода (O), включенных в молекулу воды.
После расчетов получаем P=72+28=100 и O=32+14=46. Таким образом, величина P/O для β-окисления пальмитиновой кислоты равна 2,17.
Пример 2. Окисление линолевой кислоты
Т.к. число атомов углерода равно 18, то количество молекул ацетил-SКоА равно 9. Значит в ЦТК образуется 9×10=90 молекул АТФ.
Число циклов β-окисления равно 8. При расчете получаем 8×4=32 молекулы АТФ.
В кислоте имеются 2 двойные связи. Следовательно, в двух циклах β-окисления не об-разуется 2 молекулы ФАДН2, что равноценно потере 3 молекул АТФ.
На активацию жирной кислоты тратятся 2 макроэргические связи.
Таким образом, энергетический выход окисления соответствует 90+3232=117 молекул АТФ.
При расчете коэффициента P/O получаем P=81+32=113 и O=36+14=50. Таким образом, величина P/O для β-окисления линолевой кислоты равна 2,26.
КЕТОНОВЫЕ ТЕЛА
К кетоновым телам относят три соединения близкой структуры – ацетоацетат, 3-гидрок-сибутират и ацетон.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 251
Стимулом для образования кетоновых тел служит поступление большого количества жирных кислот в печень. Как уже указывалось, при состояниях, активирующих липолиз в жи-ровой ткани, около 30% образованных жирных кислот задерживаются печенью. К этим состо-яниям относится голодание, декомпенсация сахарного диабета I типа, длительные физические нагрузки, богатая жирами диета. В обычных условиях синтез кетоновых тел также идет, хотя в намного меньшем количестве.
У детей до 7 лет под влиянием различных стимулов (краткое голодание, инфекции, эмо-циональное возбуждение) ускоряется синтез кетоновых тел и может легко возникать кетоаци-доз, сопровождающийся неукротимой рвотой ("ацетонемическая рвота"). Причиной этому служит неустойчивость углеводного обмена и малые запасы гликогена у детей, что усиливает липолиз в адипоцитах, накопление жирных кислот в крови и, следовательно, кетогенез.
Синтез ацетоацетата происходит только в митохондриях печени, далее ацетоацетат либо восстанавливается до 3-гидроксибутирата, либо декарбоксилируется до ацетона. Потом все три соединения поступают в кровь и разносятся по тканям. Ацетон, как летучее вещество, удаляется с выдыхаемым воздухом и потом. Все кетоновые тела могут выделяться с мочой.
Используются кетоновые тела всеми тканями, кроме печени и эритроцитов. Особенно активно, даже в норме, они потребляются миокардом и корковым слоем надпочечников.
Строение и обмен липидов 252
Реакции утилизации происходят в обратном порядке. В цитозоле 3-гидроксибутират окисляется, образующийся ацетоацетат проникает в митохондрии, активируется за счет сук-цинил-SКоА и превращается в ацетил-SКоА, который сгорает в ЦТК.
При голодании синтез кетоновых тел ускоряется в 60 раз (повышение до 0,6 г/л при норме менее 0,01 г/л), при декомпенсации сахарного диабета I типа – в 400 раз (до 4 г/л).
ЗАПАСАНИЕ ЖИРОВ
Реакции биосинтеза липидов могут идти клетках всех органов. Субстратом для синтеза жиров de novo является глюкоза.
Как известно, попадая в клетку, глюкоза окисляется по гликолитическому пути до пиро-виноградной кислоты. Пируват в митохондриях декарбоксилируется в ацетил-SКоА и всту-пает в ЦТК. Однако в состоянии покоя, при отдыхе, при наличии достаточного количества энергии в клетке реакции ЦТК (в частности, изоцитратдегидрогеназная реакция) блокиру-ются избытком АТФ и НАДН. В результате накапливается первый метаболит ЦТК – цитрат. По градиенту концентрации он перемещается в цитозоль, расщепляется с образованием аце-тил-SКоА, который далее используется в биосинтезе холестерола, жирных кислот и триацилг-лицеролов.
БИОСИНТЕЗ ЖИРНЫХ КИСЛОТ
Биосинтез жирных кислот наиболее активно происходит в цитозоле клеток печени, ки-шечника, жировой ткани в состоянии покоя или после еды.
Условно можно выделить 4 этапа биосинтеза:
1. Образование ацетил-SКоА из глюкозы или кетогенных аминокислот.
2. Перенос ацетил-SКоА из митохондрий в цитозоль:
o может быть в комплексе с карнитином, также как переносятся высшие жирные кислоты, но здесь транспорт идет в другом направлении,
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 253
o обычно в составе лимонной кислоты, образующейся в первой реакции ЦТК.
Поступающий из митохондрий цитрат в цитозоле расщепляется АТФ-цитрат-лиазой до ацетил-SКоА и оксалоацетата.
Оксалоацетат в дальнейшем восстанавливается до малата, и последний либо переходит в митохондрии (малат-аспартатный челнок), либо декарбоксилируется в пируват малик-фер-ментом (яблочный фермент).
3. Образование малонил-SКоА из ацетил-SКоА.
Карбоксилирование ацетил-SКоА катализируется ацетил-SКоА-карбоксилазой.
4. Синтез пальмитиновой кислоты.
Осуществляется мультиферментным комплексом "синтаза жирных кислот" (синоним пальмитатсинтаза) в состав которого входит 6 ферментов и ацил-переносящий белок (АПБ). Ацил-переносящий белок включает производное пантотеновой кислоты – 6-фосфопантетеин (ФП), имеющий HS-группу, подобно HS-КоА. Один из ферментов комплекса, 3-кетоацилсин-таза, также имеет HS-группу. Взаимодействие этих групп обусловливает начало и продолже-ние биосинтеза жирной кислоты, а именно пальмитиновой кислоты. Для реакций синтеза не-обходим НАДФН.
В первых двух реакциях (см стр.277) последовательно присоединяются малонил-SКоА к фосфопантетеину ацил-переносящего белка (всегда) и ацетил-SКоА к цистеину 3-кетоацил-синтазы (только в первой реакции). 3-Кетоацилсинтаза катализирует третью реакцию – пере-нос ацетильной группы на С2 малонила с отщеплением карбоксильной группы. Далее кето-группа в реакциях восстановления при участии НАДФН, дегидратации и опять восстановле-ния превращается в метиленовую с образованием насыщенного ацила. Ацилтрансфераза пе-реносит его на цистеин 3-кетоацилсинтазы, к фосфопантетеину присоединяется мало-нил-SКоА и цикл повторяется до образования остатка пальмитиновой кислоты. Пальмитино-вая кислота отщепляется шестым ферментом комплекса тиоэстеразой.
Строение и обмен липидов 254
УДЛИНЕНИЕ ЦЕПИ ЖИРНЫХ КИСЛОТ
Синтезированная пальмитиновая кислота при необходимости поступает в эндоплазма-тический ретикулум. Здесь с участием малонил-SКоА и НАДФН цепь удлиняется до С18 или С20.
Удлиняться могут и ненасыщенные жирные кислоты (олеиновая, линолевая, линолено-вая) с образованием производных эйкозановой кислоты (С19Н39COOH). Но двойная связь жи-вотными клетками вводится не далее 9 атома углерода, поэтому -3 и -6-полиненасыщенные жирные кислоты синтезируются только из соответствующих предше-ственников.
Например, арахидоновая кислота может образоваться в клетке только при наличии ли-ноленовой или линолевой кислот. При этом линолевая кислота (18:2) дегидрируется до -линоленовой (18:3) и удлиняется до эйкозотриеновой кислоты (20:3), последняя далее вновь дегидрируется до арахидоновой кислоты (20:4). Так формируются жирные кислоты -6 ряда.
Для образования жирных кислот -3-ряда, например, тимнодоновой (20:5), необходимо наличие α-линоленовой кислоты (18:3), которая дегидрируется (18:4), удлиняется (20:4) и опять дегидрируется (20:5).
РЕГУЛЯЦИЯ ОБМЕНА ЖИРНЫХ КИСЛОТ
Гормональная регуляция
Синтез и окисление триацилглицеролов и жирных кислот зависит от соотношения инсу-лин/глюкагон.
1. Изменение количества ферментов.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 255
Ферменты комплекса пальмитатсинтазы и ацетил-SКоА-карбоксилаза являются адаптивными ферментами, количество их возрастает при усиленном питании и уменьшается при голодании и потреблении жира. Индуктором биосинтеза этих ферментов является инсу-лин. И, напротив, количество фермента ТАГ-липазы увеличивается глюкокортикоидами.
2. Ковалентная модификация.
Благодаря инсулину, глюкагону, адреналину, тиреотропному и адренокортикотропному гормонам происходит ковалентная модификация ферментов ацетил-SКоА-карбоксилазы и ТАГ-липазы путем фосфорилирования-дефосфорилирования.
Инсулин активирует протеинфосфатазу и способствует дефосфорилированию и акти-вации ацетил-SКоА-карбоксилазы. Одновременно в клетке дефосфорилируется и инактиви-руется ТАГ-липаза.
Глюкагон, адреналин или другие гормоны, действуя по аденилатциклазному меха-низму с участием цАМФ-зависимой протеинкиназы, вызывают фосфорилирование и ингиби-рование ацетил-SКоА-карбоксилазы и, следовательно, останавливают липогенез. Одновре-менно они активируют ТАГ-липазу.
При уменьшении количества инсулина и возрастании глюкагона усиливаются липолиз в жировой ткани, поступление жирных кислот в печень и другие ткани и реакции их β-окис-ления. Такое состояние наблюдается при гипогликемии любого происхождения.
При обратном соотношении гормонов начинаются реакции синтеза жиров.
Метаболическая регуляция
В регуляции синтеза и окисления жирных кислот играют роль три участка:
1. Активность ацетил-SКоА-карбоксилазы регулируется:
o цитратом – аллостерический активатор фермента, накапливается в цитозоле при избы-точном количестве энергии,
o ацил-SКоА по принципу обратной отрицательной связи ингибирует фермент, препят-ствуя синтезу малонил-SКоА. Т.е. если ацил-SКоА не успевает вступить в этерификацию или усиливается липолиз в клетке или увеличивается поступление жирных кислот извне, то автоматически блокируется синтез новых жирных кислот.
2. Транспорт цитрата из митохондрии в цитозоль подавляется избытком ацил-SКоА, это снижает синтез жирных кислот.
3. Карнитин-ацилтрансфераза ингибируется при образовании малонил-SКоА, что останав-ливает поступление ацил-SКоА внутрь митохондрий и снижает -окисление.
Таким образом, усиление синтеза жирных кислот достигается при поступлении цитрата и при наличии малонил-SКоА. После синтеза молекулы ацил-SКоА быстро поступают на эте-рификацию глицерола до ТАГ и не накапливаются в цитозоле.
Если в клетке недостаточно энергии, то необходимо активировать -окисление жир-ных кислот. В этом случает гормональные влияния вызывают липолиз (или поступление жир-ных кислот извне) и накопление ацил-SКоА в цитозоле, что автоматически, через уменьшение
Строение и обмен липидов 256
количества цитрата и малонил-SКоА (см пункт 2), препятствует синтезу новых жирных кислот. Параллельно (см пункт 3) убыль малонил-SКоА и активация карнитин-ацил-трансфе-разы запускает -окисление.
Попавшая в митохондрию жирная кислота неизбежно окисляется до ацетил-SКоА.
При появлении избытка ацетильных групп и накоплении АТФ в митохондриях печени они перенаправляются на синтез кетоновых тел.
СИНТЕЗ ТРИАЦИЛГЛИЦЕРОЛОВ И ФОСФОЛИПИДОВ
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ БИОСИНТЕЗА
Начальные реакции синтеза триацилглицеролов и фосфолипидов совпадают и происхо-дят при наличии глицерола и жирных кислот.
В реакциях биосинтеза можно выделить следующие события:
1. Образование глицерол-3-фосфата из глюкозы через диоксиацетонфосфат или при фосфо-рилировании свободного глицерола.
2.. Биосинтез фосфатидной кислоты – требует наличия глицерол-3-фосфата и жирных кис-лот. При связывании глицерол-3-фосфата с жирными кислотами синтезируется фосфатид-ная кислота. Далее фосфатидная кислота может превращаться двумя путями – в ЦДФ-ДАГ или дефосфорилироваться до 1,2-ДАГ.
3. Синтез триацилглицерола – идет из 1,2-ДАГ после дефосфорилирования фосфатидной кислоты. Образованный 1,2-ДАГ ацилируется до ТАГ.
4. Синтез фосфолипидов.
Сейчас рассматриваются два пути синтеза фосфолипидов.
По одному пути 1,2-ДАГ не превращается в ТАГ, а связывается с этаноламином с обра-зованием фосфатидилэтаноламина, либо с холином – образуется фосфатидилхолин. По другому пути, ЦДФ-ДАГ связывается либо с инозитолом, либо с серином с образованием со-ответственно фосфатидилинозитола или фосфатидилсерина.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 257
При декарбоксилировании фосфатидилсерина далее образуется фосфатидилэтанола-мин, который может превратиться, в свою очередь, в фосфатидилхолин.
Синтезированный любым способом фосфатидилэтаноламин также способен взаимодей-ствовать с серином и обратно образовывать фосфатидилсерин.
Таким образом, каждый из основных фосфолипидов – фосфатидилсерин, фосфатидил-этаноламин, фосфатидилхолин – способен поступать из разных источников, что благоприят-ствует поддержанию требуемого баланса.
ЦДФ-ДАГ, являясь активной формой фосфатидной кислоты, способен превращаться не только в указанные, но и в другие фосфолипиды, например, в кардиолипин.
ОБРАЗОВАНИЕ ГЛИЦЕРОЛ-3-ФОСФАТА
В начале всего процесса происходит образование глицерол-3-фосфата.
Глицерол в печени фосфорилируется в реакции с использованием АТФ. В мышцах, жи-ровой ткани и других данная реакция отсутствует, поэтому в них глицерол-3-фосфат образу-ется из диоксиацетонфосфата, метаболита гликолиза.
Строение и обмен липидов 258
СИНТЕЗ ФОСФАТИДНОЙ КИСЛОТЫ
Жирные кислоты, поступающие из крови при распаде ХМ, ЛПОНП или синтезирован-ные в клетке из глюкозы также должны активироваться. Они превращаются в ацил-SКоА в АТФ-зависимой реакции.
При наличии глицерол-3-фосфата и ацил-SКоА синтезируется фосфатидная кислота.
В зависимости от вида жирной кислоты, образующаяся фосфатидная кислота может со-держать насыщенные или ненасыщенные жирные кислоты, в некотором роде это определяет ее дальнейшую судьбу:
o если используются насыщенные и мононенасыщенные кислоты (пальмитиновая, стеари-новая, пальмитолеиновая, олеиновая), то фосфатидная кислота направляется на синтез ТАГ,
o при включении полиненасыщенных жирных кислот (линоленовая, арахидоновая, кис-лоты омега-3 ряда) фосфатидная кислота является предшественником фосфолипидов.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 259
СИНТЕЗ ТРИАЦИЛГЛИЦЕРОЛОВ
Биосинтез ТАГ заключается в дефосфорилировании фосфатидной кислоты и присоеди-нении ацильной группы.
Биосинтез ТАГ клетками увеличивается при соблюдении хотя бы одного из следующих условий:
o наличие источника "дешевой" энергии. Например, 1) диета богатая простыми угле-водами (глюкоза, сахароза) – при этом концентрация глюкозы в крови после еды резко повышается и под влиянием инсулина активно происходит синтез жиров в адипоцитах и печени. 2) наличие этанола при условии нормального питания, примером может слу-жить "пивное ожирение",
o повышение концентрации жирных кислот в крови – синтез происходит в печени, например, при усиленном липолизе в жировых клетках под воздействием каких-либо ве-ществ (фармпрепараты, кофеин и т.п.), при эмоциональном стрессе и отсутствии (!) мы-шечной активности,
o высокие концентрации инсулина и низкие концентрации глюкагона – после приема пищи.
После синтеза ТАГ они эвакуируются из печени в другие ткани, точнее в ткани, имею-щие на эндотелии своих капилляров липопротеинлипазу (см Транспорт ТАГ в крови). Транс-портной формой служат ЛПОНП. Строго говоря, эти ткани получают только жирные кислоты, все остальные компоненты ЛПОНП не являются необходимыми.
СИНТЕЗ ФОСФОЛИПИДОВ
Биосинтез фосфолипидов по сравнению с синтезом ТАГ имеет существенные особен-ности. Они заключаются в дополнительной активации компонентов ФЛ – фосфатидной кис-лоты или холина и этаноламина.
1. Активация холина (или этаноламина) происходит через промежуточное образование фосфорилированных производных с последующим присоединением ЦМФ. В следующей ре-акции активированный холин (или этаноламин) переносится на ДАГ. Этот путь особенно ха-рактерен для легких и кишечника, но идет и в других тканях.
2. Активация фосфатидной кислоты заключается в присоединении к ней ЦМФ с обра-зованием ЦДФ-ДАГ. Далее к нему присоединяется шестиатомный спирт инозитол или серин с образованием фосфатидилинозитола и фосфатидилсерина. Синтезированный фосфатидил-серин подвергается декарбоксилированию с образованием фосфатидилэтаноламина. По-следний метилируется при участии S-аденозилметионина в фосфатидилхолин.
3. Между фосфатидилэтаноламином и серином может происходить обмен с образова-нием в результате реакции фосфатидилсерина и этаноламина.
Строение и обмен липидов 260
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 261
ЛИПОТРОПНЫЕ ВЕЩЕСТВА
Все вещества, способствующие синтезу ФЛ и препятствующие синтезу ТАГ, и способ-ные предотращать жировую инфильтрацию печени, называются липотропными факторами. К ним относятся:
1. Структурные компоненты фосфолипидов: полиненасыщенные жирные кислоты, инози-тол, серин, холин, этаноламин.
2. Метионин – донор метильных групп для синтеза холина и фосфатидилхолина.
3. Витамины:
o пиридоксин (В6), способствующий образованию ФЭА из ФС.
o цианкобаламин (В12) и фолиевая кислота, участвующие в образовании активной формы метионина (см "Взаимосвязь обмена глицина, серина, цистеина и метионина") и, следовательно, в синтезе фосфатидилхолина.
При недостатке липотропных факторов в печени начинается жировая инфильтрация печени (жировой гепатоз, стеатоз печени, жировая дистрофия).
НАРУШЕНИЯ ОБМЕНА ТРИАЦИЛГЛИЦЕРОЛОВ
ЖИРОВАЯ ИНФИЛЬТРАЦИЯ ПЕЧЕНИ
Жировая инфильтрация печени заключается в накоплении в цитозоле и межклеточном пространстве печени триацилглицеролов в виде жировых капель и в функциональной не-возможности клеток их удалить.
Главной причиной жировой инфильтрации печени является метаболический блок син-теза ЛПОНП. Так как ЛПОНП включают разнородные соединения, то блок может возникнуть на разных уровнях синтеза:
o нарушение секреции липопротеинов в кровь – патологии мембран гепатоцитов при ак-тивации перекисного окисления липидов вследствие недостаточности антиоксидантных систем (в первую очередь гиповитаминозы С, А, Е, нехватка цинка и железа).
o часто причиной может быть относительная недостаточность апобелков и фосфолипи-дов при избытке ТАГ: при избыточном синтезе жирных кислот из глюкозы, при поступ-лении готовых жирных кислот из крови (немотивированный липолиз в жировой ткани), синтез повышенного количества ХС,
o недостаток апобелков – нехватка белка или незаменимых аминокислот в пище, воздей-ствие токсинов и ингибиторов синтеза белка,
o снижение синтеза фосфолипидов – отсутствие липотропных факторов (витаминов, ме-тионина, полиненасыщенных жирных кислот),
o блок сборки липопротеиновых частиц в ЭПР при воздействии токсинов (наример, хло-роформ, мышьяк, свинец),
ОЖИРЕНИЕ
Ожирение – избыточное количество нейтрального жира в подкожной жировой клет-чатке. Выделяют два типа ожирения – первичное и вторичное.
Первичное ожирение является следствием нарушения баланса энергии в результате ги-подинамии и переедания. В здоровом организме количество поглощаемой пищи регулируется гормоном адипоцитов лептином. Лептин вырабатывается в ответ на увеличение жировой массы в клетке и, в конечном итоге, снижая в гипоталамусе образование нейропептида Y (который стимулирует поиск пищи), подавляет пищевое поведение. У 80% лиц с первичным ожирением гипоталамус нечувствителен к лептину, у 20% имеется дефект структуры лептина.
Вторичное ожирение – возникает при гормональных заболеваниях. К таким заболева-ниям относятся, например, гипотиреоз, гиперкортицизм.
Строение и обмен липидов 262
Основы лечения
При лечении ожирения в первую очередь необходимо учитывать тот факт, что любое ожирение – это вопрос баланса, т.е. прихода и расхода энергии.
o увеличение физической нагрузки, при этом она должна быть аэробной и по мере сниже-ния веса тела интенсивность нагрузки должна нарастать, оптимально 3 раза в день по 20 мин до состояния легкой усталости,
o диета с резким уменьшением количества сладких продуктов и насыщенных жиров (мо-лочные продукты, сыр, сливочное масло, сало, жирное мясо) при умеренном потреблении черного хлеба, злаковых, круп, растительных масел и рыбы, введение в рацион жирных кислот -3-ряда,
o возможен прием биологически активных пищевых добавок (БАД) подавляющих липоге-нез, стимулирующих липолиз и окисление жирных кислот (цитримакс, гуарана, карни-тин), поливитаминных и полиминеральных препаратов при обязательной физической нагрузке,
o при вторичном ожирении обязательно лечение основного заболевания.
САХАРНЫЙ ДИАБЕТ II ТИПА
Основной причиной сахарного диабета II типа считается генетическая предрасположен-ность – у родственников больного риск заболеть возрастает на 50%.
Однако диабет не возникнет, если не будет частого и/или длительного повышения глю-козы в крови, что бывает при несбалансированном питании. При таком питании накопление жира в адипоците является "стремлением" организма предотвратить гипергликемию. При этом неизбежные изменения метаболизма и мембран адипоцитов ведут к нарушению связы-вания инсулина с рецепторами, развивается инсулинорезистентность. Нарастающая гиперг-ликемия и компенсаторная гиперсекреция инсулина приводят к усилению липогенеза в пе-чени.
Одновременно фоновый (спонтанный) липолиз в разросшейся жировой ткани вызывает увеличение концентрации насыщенных жирных кислот в крови. Эти кислоты встраиваются в мембраны клеток, что также способствует инсулинорезистентности.
Таким образом, два противоположных процесса – липолиз и липогенез – усиливаются и обусловливают развитие сахарного диабета II типа.
В основе лечения сахарного диабета II типа лежит включение всех тех же мероприятий, что и при лечении ожирения. При высоком уровне глюкозы обязательно применение гипогли-кемических средств (глибенкламид, диабетон и т.п.).
ОБМЕН ХОЛЕСТЕРОЛА
ИСТОЧНИКИ
Синтез холестерола в организме составляет примерно 0,5-0,8 г/сут, при этом половина образуется в печени, около 15% в кишечнике, оставшаяся часть в любых клетках, не утратив-ших ядро. Таким образом, все клетки организма способны синтезировать холестерол.
Из пищевых продуктов наиболее богаты холестеролом (в пересчете на 100 г продукта) сметана (0,002 г), сливочное масло (0,03 г), яйца (0,18 г), говяжья печень (0,44 г).
В целом за сутки с обычным рационом поступает около 0,4 г.
ВЫВЕДЕНИЕ
Выведение холестерола из организма происходит практически только через кишечник:
o с фекалиями в виде холестерола поступающего из желчи и образованных микрофлорой нейтральных стеролов (до 0,5 г/сут),
o в виде желчных кислот (до 0,5 г/сут),
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 263
o около 0,1 г удаляется со слущивающимся эпителием кожи и секретом сальных желез,
o примерно 0,1 г превращается в стероидные гормоны и после их разрушения выводится с мочой.
БИОСИНТЕЗ
Биосинтез холестерола происходит в эндоплазматическом ретикулуме. Источником всех атомов углерода в молекуле является ацетил-SКоА, поступающий сюда в составе цитрата, как и при синтезе жирных кислот. При биосинтезе холестерола затрачивается 18 молекул АТФ и 13 молекул НАДФН.
Образование холестерола идет более чем в 30 реакциях, которые можно сгруппировать в несколько этапов:
1. Синтез мевалоновой кислоты.
Первые две реакции синтеза совпадают с реакциями кетогенеза, но после синтеза 3-гид-рокси-3-метилглутарил-SКоА вступает в действие фермент ГМГ-SКоА-редуктаза, образую-щая мевалоновую кислоту.
2. Синтез изопентенилдифосфата.
3. Синтез фарнезилдифосфата.
4. Синтез сквалена.
5. Синтез ланостерола.
6. Синтез холестерола.
РЕГУЛЯЦИЯ СИНТЕЗА ХОЛЕСТЕРОЛА
Регуляторным ферментом является гидроксиметилглутарил-SКоА-редуктаза:
1. Метаболическая регуляция – по принципу обратной отрицательной связи ГМГ-SКоА-редуктаза ингибируется конечным продуктом реакции – холестеролом.
Строение и обмен липидов 264
2. Регуляция транскрипции гена ГМГ-SКоА-редуктазы – холестерол и желчные кислоты по-давляют считывание гена и уменьшают количество фермента.
3. Ковалентная модификация при гормональной регуляции: инсулин, активируя протеин-фосфатазу, способствует переходу фермента ГМГ-SКоА-редуктазы в активное состояние. Важным следствием такой регуляции является прекращение кетогенеза при наличии ин-сулина. Глюкагон и адреналин посредством аденилатциклазного механизма активируют протеинкиназу А, которая фосфорилирует фермент и переводит его в неактивную форму.
ТРАНСПОРТ ХОЛЕСТЕРОЛА И ЕГО ЭФИРОВ
Осуществляется липопротеинами низкой и высокой плотности.
ХАРАКТЕРИСТИКА ЛИПОПРОТЕИНОВ ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ
Общая характеристика
1. Образуются в печени de novo, в плазме крови при распаде хиломикронов, некоторое коли-чество в стенке кишечника.
2. В составе частицы примерно половину занимают белки, еще четверть фосфолипиды, осталь-ное холестерин и ТАГ.
3. Основным апобелком является апо А1.
4. Антиатерогенные.
Функция
1. Транспорт свободного ХС от тканей к печени.
2. Фосфолипиды ЛПВП являются источником полиеновых кислот для синтеза клеточных фос-фолипидов и эйкозаноидов.
Обмен
1. Синтезированный в печени ЛПВП (насцентный, первичный) содержит в основном фосфо-липиды и апобелки. Остальные липидные компоненты накапливаются в нем по мере мета-болизма в плазме крови.
2. При посредстве специфических транспортных белков получают свободный ХС из клеточ-ных мембран.
3. Взаимодействует с ЛПНП и ЛПОНП, забирает свободный ХС для ЛХАТ-реакции, в обмен ЛПВП отдают этерифицированный ХС.
4. В ЛПВП активно протекает реакция при участии лецитин:холестерол-ацилтрансферазы (ЛХАТ-реакция). В этой реакции остаток ненасыщенной жирной кислоты переносится от ФХ на свободный ХС с образованием лизофосфатидилхолина и эфиров ХС.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 265
5. Взаимодействуя с разными формами ЛПОНП и ХМ, получают ТАГ, ДАГ, МАГ и отдают им апоЕ- и апоСII-белки.
6. Взаимодействует с мембранами клеток, отдает часть фосфолипидной оболочки, доставляя таким образом полиеновые жирные кислоты в клетки.
7. Накопление свободного ХС, ТАГ, ДАГ, МАГ и утрата фосфолипидной оболочки преобра-зует ЛПВП3 в ЛПВП2 (уже функционально неактивный). Последний захватывается гепа-тоцитами при помощи апоА-1-рецептора.
ХАРАКТЕРИСТИКА ЛИПОПРОТЕИНОВ НИЗКОЙ ПЛОТНОСТИ
Общая характеристика
1. Образуются в гепатоцитах de novo и в сосудистой системе печени под воздействием пече-ночной ТАГ-липазы из ЛПОНП.
2. В составе частицы примерно 25% занимают белки, немного меньше половины составляет холестерин, остальное фосфолипиды и ТАГ.
3. Основным апобелком является апоВ-100.
4. Самые атерогенные.
Функция
1. Транспорт холестерола в клетки, использующие его для реакций синтеза половых гормонов (половые железы), глюко- и минералокортикоидов (кора надпочечников), холекальцифе-рола (кожа), утилизирующие ХС в виде желчных кислот (печень).
2. Транспорт полиеновых жирных кислот в виде эфиров ХС в некоторые клетки рыхлой со-единительной ткани (фибробласты, тромбоциты, эндотелий, гладкомышечные клетки), в эпителий гломерулярной мембраны почек, в клетки костного мозга, в клетки роговицы глаз, в нейроциты, в базофилы аденогипофиза.
Строение и обмен липидов 266
Клетки рыхлой соединительной ткани активно синтезируют эйкозаноиды. Поэтому им необходим постоянный приток полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК), что осуществля-ется либо переходом фосфолипидов от оболочки ЛПВП в мембраны клеток, либо поглоще-нием ЛПНП, которые несут ПНЖК в составе эфиров холестерола.
Обмен
1. В крови первичные ЛПНП взаимодействуют с ЛПВП, отдавая свободный ХС и получая этерифицированный. В результате в них происходит накопление эфиров ХС, увеличение гидрофобного ядра и "выталкивание" белка апоВ-100 на поверхность частицы. Таким об-разом, первичный ЛПНП переходит в зрелый.
2. На клетках, использующих ЛПНП, имеется высокоафинный рецептор, специфичный к ЛПНП – апоВ-100-рецептор. При взаимодействии ЛПНП с рецептором происходит эндо-цитоз липопротеина и его лизосомальный распад на составные части – фосфолипиды, ами-нокислоты, глицерол, жирные кислоты, холестерол и его эфиры.
o ХС превращается в гормоны или включается в состав мембран,
o излишки мембранного ХС удаляются с помощью ЛПВП,
o поступающий холестерол регулирует количество апоВ-100-рецептора и, следова-тельно, захват ЛПНП,
o при невозможности удалить ХС часть его этерифицируется с олеиновой или линолевой кислотой ферментом ацил-SКоА:холестерол-ацилтрансферазой (АХАТ),
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 267
o принесенные с эфирами ХС полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК) используются для синтеза эйкозаноидов или фосфолипидов.
3. Около 50% ЛПНП взаимодействуют с апоВ-100-рецепторами гепатоцитов и примерно столько же поглощаются клетками других тканей.
НАРУШЕНИЯ ОБМЕНА ХОЛЕСТЕРОЛА
АТЕРОСКЛЕРОЗ
Атеросклероз – это отложение ХС и его эфиров в соединительной ткани стенок артерий, в которых выражена механическая нагрузка на стенку (по убыванию воздействия): абдоми-нальная аорта, коронарная артерия, подколенная артерия, бедренная артерия, тибиальная ар-терия, грудная аорта, дуга грудной аорты, сонные артерии.
Стадии атеросклероза
Условно выделяют четыре стадии атеросклероза: 1 и 2 стадии распространены широко и при правильном питании являются обратимыми, 3 и 4 стадии уже имеют клиническое значе-ние и необратимы.
1 стадия – повреждение эндотелия
Это "долипидная" стадия, обнаруживается даже у годовалых детей. Изменения еще не-специфичны и их могут вызывать: дислипопротеинемия, гипертензия, повышение вязкости крови, курение, вирусные и бактериальные инфекции, свинец, кадмий и т.п.
На этой стадии в эндотелии создаются зоны повышенной проницаемости и клейкости. Внешне это проявляется в разрыхлении и истончении (вплоть до исчезновения) защитного гликокаликса на поверхности эндотелиоцитов, расширении межэндотелиальных щелей. Это приводит к выходу большего количества, чем в норме, липопротеинов (ЛПНП и ЛПОНП) и моноцитов в интиму.
2 стадия – стадия начальных изменений
Отмечается у большинства детей и молодых людей.
Поврежденный эндотелий и активированные тромбоциты вырабатывают медиаторы воспаления, факторы роста, эндогенные окислители. В результате через поврежденный эн-дотелий в интиму сосудов еще более активно проникают моноциты и способствуют развитию воспаления.
Пусковым моментом для развития атеросклероза является то, что липопротеины в зоне воспаления модифицируются, например, окислением, гликозилированием, ацетилиро-ванием. Такие модифицированные липопротеины теряют способность связываться с апоВ-100-рецептором и проникать в клетки-мишени и, в результате, накапливаются в крови и в интиме сосудов.
Строение и обмен липидов 268
Моноциты, преобразуясь в макрофаги, поглощают модифицированные липопротеины при участии "мусорных" рецепторов (scavenger receptors). Таким образом, поглощение моди-фицированных липопротеинов идет без участия апоВ-100 рецепторов, а, значит, нерегулиру-емо.
При поглощении модифицированных липопротеинов макрофаги активируются, выде-ляют цитокины и разнообразные факторы роста, которые стимулируют деление гладкомы-шечных клеток, синтез межклеточного вещества, и играют роль в развитии атеросклеротиче-ской бляшки. Под действием факторов роста гладкомышечные клетки медии мигрируют в ин-тиму и начинают пролиферировать, превращаясь в макрофагоподобные клетки. Они также накапливают модифицированные ЛПНП.
Накопление липидов в макрофагах быстро исчерпывает невысокие возможности клеток по утилизации свободного и этерифицированного ХС. Они переполняются стероидами и пре-вращаются в пенистые клетки. Внешне на эндотелии появляются липидные пятна и по-лоски.
3 стадия – стадия поздних изменений
Продолжают развертываться и приобретают масштабность события, начавшиеся на вто-рой стадии. Внешне проявляется как выступание поверхности в просвет сосуда. Стадия харак-теризуется следующими особенностями:
o продуцирование бывшими гладкими миоцитами коллагена, эластина и гликозаминогли-канов (накопление межклеточного вещества),
o пролиферация и гибель пенистых клеток (апоптоз),
o накопление в межклеточном пространстве свободного ХС и этерифицированного ХС,
o инкапсулирование холестерола и формирование фиброзной бляшки.
4 стадия – стадия осложнений
На этой стадии происходят:
o кальцификация бляшки и ее изъязвление, приводящее к эмболии сосудов,
o тромбоз из-за адгезии и активации тромбоцитов,
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 269
o разрыв сосуда.
Основы лечения
В лечении атеросклероза обязательно должны быть две составляющие: диета и медика-менты. Целью лечения является снижение концентрации общего ХС плазмы, ХС ЛПНП и ЛПОНП, повышение концентрации ЛПВП.
Диета:
1. Жиры пищи должны включать равные доли насыщенных, мононенасыщенных и по-линенасыщенных жиров. Доля жидких (растительных) жиров, содержащих ПНЖК, должна быть не менее 30% от всех жиров. Роль ПНЖК в лечении гиперхолестеролемии и атероскле-роза сводится к:
o ограничению всасывания ХС в тонком кишечнике,
o активации синтеза желчных кислот и фосфатидилхолина,
o усилении желчеотделения,
o снижении синтеза и секреции ЛПНП в печени,
o увеличении синтеза ЛПВП.
2. Потребление высоких количеств овощей, содержащих целлюлозу (капуста, морковь, свекла) для усиления перистальтики кишечника, стимуляции желчеотделения и адсорбции ХС. Кроме этого, фитостероиды конкурентно снижают всасывание ХС, при этом сами в клет-ках не усваиваются.
3. Умеренная физическая нагрузка – способствует синтезу ЛПВП.
Медикаменты:
1. Ингибиторы ГМГ-SКоА-редуктазы (ловастатин, флувастатин) снижают в 2 раза син-тез ХС в печени и ускоряют его отток из ЛПВП в гепатоциты.
2. Подавление всасывания ХС в желудочно-кишечном тракте – анионообменные смолы (Холестирамин, Холестид, Questran).
3. Препараты никотиновой кислоты подавляют мобилизацию жирных кислот из депо и снижают синтез ЛПОНП в печени, а, следовательно, и образование из них ЛПНП в крови.
4. Фибраты (клофибрат и т.п.) увеличивают активность липопротеинлипазы, ускоряют катаболизм ЛПОНП и хиломикронов, что повышает переход холестерола из них в ЛПВП и его эвакуацию в печень.
5. Препараты -6 и -3 жирных кислот (Линетол, Эссенциале, Омеганол и т.п.) повы-шают концентрацию ЛПВП в плазме, стимулируют желчеотделение.
НАРУШЕНИЯ ТРАНСПОРТА ЛИПИДОВ
ДИСЛИПОПРОТЕИНЕМИИ
Изменения в соотношении и количестве классов липопротеинов не всегда сопровожда-ются гиперлипидемией, поэтому высокое клинико-диагностическое значение имеет выявле-ние дислипопротеинемий.
Причинами дислипопротеинемий может быть изменение активности ферментов обмена липопротеинов, снижение рецепции липопротеинов на клетках, нарушение синтеза апобелков.
Различают несколько типов дислипопротеинемий по Фредриксону.
Тип I. Гиперхиломикронемия
Обусловлена генетическим дефектом липопротеинлипазы. В результате, вследствие нарушения превращения хиломикронов в остаточные (ремнантные) формы, снижается их апоЕ-рецепторный эндоцитоз.
Клинически проявляется в раннем возрасте ксантоматозом и гепатоспленомегалией в ре-зультате отложения липидов в коже, печени и селезенке. Первичная гиперлипопротеинемия
Строение и обмен липидов 270
I типа встречается редко и проявляется в раннем возрасте, вторичная – сопровождает диабет, красную волчанку, нефроз, гипотиреоз, проявляется ожирением.
Тип II. Гипер--липопротеинемия
1. Подтип IIa (семейная гиперхолестеролемия)
Обусловлена замедлением распада ЛПНП и элиминацией холестерола, связанным с де-фектом апоВ-100-рецептора и нарушением рецепторного эндоцитоза.
2. Подтип IIb
Вызвана функциональным снижением активности апоВ-100-рецептора и апоВ-100-ре-цепторного эндоцитоза ЛПНП. Это развивается при нарушении формирования зрелых форм ЛПНП из-за снижения активности ЛХАТ, дефекте апобелка А-1 и др.
Оба подтипа клинически проявляются атеросклеротическими нарушениями.
Тип III. Гипер-гиперпре-липопротеинемия или дис-липопротеинемия
Обусловлена дефектом апобелка Е, ответственного за связывание остаточных хиломик-ронов и ЛПОНП с рецепторами на гепатоците. В результате извлечение из крови этих частиц снижается и появляются патологически флотирующие ЛПОНП или ЛПНП.
Клинически проявляется атеросклерозом с коронарными нарушениями, чаще встреча-ется у взрослых. У части больных отмечаются плоские, бугорчатые и эруптивные ксантомы.
Тип IV. Гиперпре-липопротеинемия
Обусловлена неадекватно высоким синтезом триацилглицеролов в печени в резуль-тате поступления избытка глюкозы.
Первичная гиперлипопротеинемия IV типа приводит к развитию ожирения и атероскле-роза после 20 лет, вторичная – наблюдается при гипотиреозе, диабете, панкреатите, нефрозе, алкоголизме.
Тип V. Гиперхиломикронемия и гиперпре-липопротеинемия
Обусловлена умеренным снижением активности липопротеинлипазы в результате де-фекта апоСII-белка, что приводит к накоплению в крови хиломикронов и ЛПОНП.
Клинически проявляется как I тип дислипопротеинемии.
Гипер--липопротеинемия
Известны случаи семейной гипер-холестеролемии и увеличение ЛПВП в крови при тре-нировке к длительным физическим нагрузкам.
Алипопротеинемия
1. ан--липопротеинемия (танжерская болезнь).
Обусловлена врожденным нарушением синтеза апопротеинов А-I и А-II. Клинические проявляется тонзиллитом, рано развивающимся атеросклерозом и ишемической болезнью сердца.
2. а--липопротеинемия. Обусловлена снижением синтеза в печени апопротеина В-100. Клинически проявляется нарушением всасывания пищевых жиров, пигментным ретинитом, акантозом и атаксической невропатией.
Гиполипопротеинемия
1. Гипо--липопротеинемия часто сочетается с увеличением в крови ЛПОНП и ЛПНП. Клинически проявляется как II, IV и V типы гиперлипопротеинемий, что увеличивает риск возникновения атеросклероза и его осложнений.
2. Гипо--липопротеинемия выражается в снижении в крови ЛПНП. Клинически прояв-ляется нарушением всасывания пищевых жиров в кишечнике.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 271
ЛХАТ-недостаточность
Обусловлена генетическим дефицитом фермента лецитин:холестерол-ацилтрансфе-разы.
Клинически проявляется гипохромной анемией, почечной недостаточностью, спленоме-галией, помутнением роговицы вследствие накопления неэтерифицированного холестерола в мембранах клеток почек, селезенки, роговицы глаза, эритроцитах.
ЛИПИДОЗЫ
Липидозы относятся к болезням лизосомального накопления, обусловленных дефек-тами специфических лизосомальных гидролаз.
Болезнь Вольмана – редкое аутосомно-рецессивное заболевание из-за дефекта кислой эстеразы лизосом, что обусловливает накопление эфиров холестерола в лизосомах печени, селезенки, надпочечников, костного мозга и тонкого кишечника. Проявляется в первые недели жизни рвотой, диареей и стеатореей, гепатоспленомегалией и двусторонним кальцинозом надпочечников. Больные умирают в возрасте до 6 мес.
Болезнь Шюллера-Кристиана аутосомно-рецессивное заболевание характеризуется отложением в плоских костях, твердой мозговой оболочке и коже холестерола и его эфиров. Характерными являются деструктивные изменения в костях, остеопороз, мозжечковые рас-стройства. Заболевание обычно начинается в возрасте до 10 лет, реже позднее. Мужчины бо-леют в 2 раза чаще, чем женщины. Течение заболевания прогрессирующее. Дефектный фер-мент неизвестен.
Болезнь Гоше – отложение цереброзидов в макрофагальных клетках селезенки, печени, лимфатических узлов и костного мозга. Возникает в связи с аутосомно-рецессивным отсут-ствием гликоцереброзидазы. Основными симптомами заболевания являются спленомегалия, увеличение печени и селезенки, а также изменения в костях, проявляющиеся в виде остеопо-роза.
При болезни Нимана-Пика наблюдается отложение сфингомиелина в клетках различ-ных органов из-за дефицита сфингомиелиназы. Болезнь наследуется аутосомно-рецессивно, проявляется резким увеличением печени и селезенки, замедлением психического развития ре-бенка, появлением слепоты и глухоты. Чаще всего дети погибают в возрасте до 2 лет.
Амавротическая семейная идиотия (болезнь Тея-Сакса) является результатом отложе-ния ганглиозидов в клетках головного мозга, что сопровождается атрофией зрительных не-рвов, слепотой, слабоумием и смертью в младенческом возрасте.
ГОРМОНЫ
Гормоны (греч. hormao – привожу в движение) – это вещества, вырабатываемые специ-ализированными клетками и регулирующие обмен веществ в отдельных органах и во всем организме в целом. Для всех гормонов характерна большая специфичность действия и высо-кая биологическая активность.
КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРМОНОВ
Гормоны можно классифицировать по химическому строению, растворимости, локали-зации их рецепторов и влиянию на обмен веществ.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПО СТРОЕНИЮ
Гормоны – производные аминокис-лот
Адреналин
Норадреналин
Тироксин
Трийодтиронин
Пептидные и белковые гормоны
Адренокортикотропный гормон (АКТГ)
Соматотропный гормон (СТГ)
Тиреотропный гормон (ТТГ)
Лактотропный гормон (пролактин, ПЛГ)
Лютеинизирующий гормон (ЛГ)
Фолликулостимулирующий гормон (ФСГ)
Меланоцитстимулирующий гормон (МСГ)
Антидиуретический гормон (АДГ, вазопрессин)
Окситоцин
Кальцитонин
Паратгормон
Инсулин
Глюкагон
Стероидные гормоны
Кортизол
Альдостерон
Эстрадиол
Прогестерон
Тестостерон
Кальцитриол
КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ВЛИЯНИЮ НА ОБМЕН ВЕЩЕСТВ
Вид обмена
Гормоны (основное влияние)
Белковый обмен
Инсулин, СТГ, АКТГ и кортизол, ТТГ и тироксин
Липидно-углеводный обмен
Инсулин, СТГ, АКТГ и кортизол, ТТГ и тироксин, адрена-лин, глюкагон
Водно-солевой обмен
Альдостерон, АДГ
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 273
Обмен кальция и фосфора
Кальцитонин, паратгормон, кальцитриол
Репродуктивная функция
Гонадотропные гормоны и эстрадиол, эстриол, прогестерон, тестостерон, пролактин, окситоцин
КЛАССИФИКАЦИЯ ПО МЕСТУ СИНТЕЗА
Место синтеза
Гормоны
Гипоталамус
Кортиколиберин, тиреолиберин, гонадолиберин, соматолибе-рин, меланолиберин, фоллиберин, пролактолиберин.
Пролактостатин, соматостатин, меланостатин.
АДГ, окситоцин.
Гипофиз
СТГ, АКТГ, ЛТГ, ТТГ, МСГ, ФСГ, ЛГ.
Периферические железы
Инсулин, глюкагон, кортизол, тироксин, адреналин, альдо-стерон, эстрадиол, эстриол, тестостерон, кальцитонин, парат-гормон, кальцитриол
МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ ГОРМОНОВ
Для регуляции деятельности клетки с помощью гормонов, находящихся в плазме крови, необходимо обеспечить возможность клетки воспринимать и обрабатывать этот сигнал. Эта задача усложняется тем, что сигнальные молекулы (нейромедиаторы, гормоны, эйкозаноиды) имеют разную химическую природу, реакция клеток на сигналы должна быть различной по направленности и адекватной по величине.
В связи с этим, эволюционно сформировались два основных механизма действия сиг-нальных молекул по локализации рецептора:
1. Мембранный – рецептор расположен на мембране.
2. Цитозольный – рецептор расположен в цитозоле.
МЕМБРАННЫЕ РЕЦЕПТОРЫ
В зависимости от способа передачи гормонального сигнала в клетку выделяют три класса мембраносвязанных рецепторов:
Гормоны 274
1. Каналообразующие (ионотропные) рецеп-торы – присоединение лиганда к рецептору вызы-вает открытие ионного канала на мембране. Таким способом действуют нейромедиаторы (ацетилхо-лин, глицин, ГАМК, серотонин, гистамин, глута-мат), вторичный мессенджер инозитолтрифосфат (ИФ3).
2. Рецепторы, обладающие каталитической активностью – при взаимодействии лиганда с ре-цептором активируется внутриклеточный домен ре-цептора, имеющий ферментативную активность (тиронинкиназа, тирозинфосфатаза, гуанилатцик-лаза). Таким образом работают рецепторы к цито-кинам (интерфероны, интерлейкины, факторы ро-ста), к инсулину, пролактину и СТГ.
3. Рецепторы, связанные с G-белками – пе-редача сигнала от гормона происходит при посред-стве G-белка. G-белок влияет на ферменты, образу-ющие вторичные посредники (мессенджеры). Последние передают сигнал на внутриклеточные белки. К этому виду относится аденилат-циклазный и кальций-фосфолипидный механизмы. Через такие рецепторы действуют часть медиаторов и пептидные гормоны
РЕЦЕПТОРЫ, СВЯЗАННЫЕ С G-БЕЛКАМИ
Аденилатциклазный механизм
По аденилатциклазному механизму действуют гормоны гипофиза (ТТГ, ЛГ, МСГ, ФСГ. АКТГ), кальцитонин, соматостатин, глюкагон, паратгормон, адреналин (через α2- и β-адренорецепторы), вазопрессин (через V2-рецепторы).
1. Взаимодействие лиганда с рецептором приводит к изменению конформации последнего.
2. Это изменение передается на G-белок, который состоит из трех субъединиц (, и ), -субъединица связана с ГДФ.
В составе G-белков α-субъединицы бывают двух типов по отношению к ферменту: акти-вирующие αs и ингибирующие αi.
3. В результате взаимодействия с рецептором β- и -субъединицы отщепляются, одновременно в αS-субъединице ГДФ заменяется на ГТФ.
4. Активированная таким образом αS-субъединица стимулирует аденилатциклазу, которая начинает синтез цАМФ.
5. Активность αS-субъединицы сохраняется до тех пор, пока ее ГТФ-азный центр не гидроли-зует ГТФ до ГДФ. После этого происходит быстрая ресборка G-белка, все возвращается в исходное состояние.
6. цАМФ – вторичный мессенджер – в свою очередь связывается с регуляторными субъеди-ницами протеинкиназы А (R) и вызывает их диссоциацию от каталитических. В результате каталитические субъединицы (C) становятся активными.
7. Активная протеинкиназа А фосфорилирует белки и ряд ферментов, среди которых киназа фосфорилазы гликогена, гормон-чувствительная липаза, транскрипционный фактор CREB (cAMP-response element-binding protein).
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 275
Кальций-фосфолипидный механизм
По этому механизму действуют вазопрессин (через V1-рецепторы), адреналин (через α1-адренорецепторы), ангиотензин II.
Принцип работы этого механизма совпадает с предыдущим, но вместо аденилатциклазы мишеневым ферментом для α-субъединицы служит фосфолипаза С:
1. Взаимодействие лиганда с рецептором приводит к изменению конформации последнего.
2. Это изменение передается на G-белок, который состоит из трех субъединиц (, и ), -субъединица связана с ГДФ.
3. В результате взаимодействия с рецептором β- и -субъединицы отщепляются, одновременно в αp-субъединице ГДФ заменяется на ГТФ.
4. Активированная таким образом αp-субъединица стимулирует фосфолипазу С, которая гид-ролизует фосфатидилинозитолдифосфат (ФИФ2) вторичных мессенджеров диацилглице-рола (ДАГ) и инозитолтрифосфата (ИФ3).
5. Активность αp-субъединицы сохраняется до тех пор, пока ее ГТФ-азный центр не гидроли-зует ГТФ до ГДФ. После этого происходит быстрая ресборка G-белка, все возвращается в исходное состояние.
6. ИФ3 – вторичный мессенджер – в свою очередь открывает кальциевые каналы в эндоплаз-матическом ретикулуме, что вызывает увеличение концентрации ионов Cа2+ в цитоплазме и активацию определенных кальций-связывающих белков, меняя их активность (напри-мер, кальмодулина).
7. Диацилглицерол является активатором протеинкиназы С, которая в присутсвии ионов Ca2+ фосфорилирует свои белковые субстраты. Протеинкиназа С в основном участвует в про-цессах клеточной пролиферации. Кроме этого, диацилглицерол имеет и другую сигналь-ную функцию: он может распадаться на 1-моноацилглицерол и полиеновую кислоту (чаще арахидоновую), из которой образуются эйкозаноиды.
Гормоны 276
Гуанилатциклазный механизм
Данный механизм передачи сигнала в общих чертах схож с аденилатциклазным: после появления какой-либо сигнальной молекулы сигнал воспринимается ферментом гуанилатцик-лазой и далее передается при помощи вторичного мессенджера цГМФ. Последний воздей-ствует на протеинкиназу G, которая фосфорилирует определенные белки, чем изменяет ак-тивность клетки.
Гуанилатциклаза присутствует во многих органах (сердце, сетчатка глаза, легкие, почки, надпочечники, эндотелий кишечника) и активно участвует в регуляции внутриклеточного ме-таболизма. В отличие от аденилатциклазы, этот фермент имеет четыре разновидности, три из которых связаны с мембраной, четвертый – цитозольный. Соотношения этих двух форм фер-мента в различных тканях разные.
Мембраносвязанные формы гуанилатциклазы работают как рецепторы, обладающие каталитической активностью. Их лигандами являются предсердный (ANP) и мозговой (BNP) натрийуретические пептиды. Действие этих пептидов на гладкие мышцы сосудов вызывает их расслабление и снижение артериального давления, в канальцах почек – подавляет реабсорб-цию ионов Na+.
Цитозольная (растворимая) форма фермента взаимодействует в цитозоле с другими сиг-нальными молекулами – оксид азота, пероксинитрит, супероксид-анион-радикал, которые свя-зываются с гемом активного центра фермента и изменяют его активность. Эти лиганды высту-пают как вазодилататоры, ингибиторы агрегации тромбоцитов, противовоспалительные агенты.
ЦИТОЗОЛЬНЫЕ РЕЦЕПТОРЫ
По цитозольному механизму действуют стероидные гормоны и гормоны щитовидной железы. Будучи гидрофобными молекулами, они попадают в клетки путем простой диффузии и прочно связываются с рецепторами, расположенными в цитоплазме. Комплекс гормон-ре-цептор в некоторых случаях дополнительно модифицируется и активируется. Далее он прони-кает в ядро, где может связываться с ядерным рецептором. В результате гормон приобретает сродство к ДНК. Связываясь с гормон-чувствительным элементом в ДНК, гормон влияет на
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 277
транскрипцию определенных генов и изменяет концентрацию РНК в клетке и, соответственно, количество определенных белков в клетке.
ИЕРАРХИЯ И ПРИНЦИПЫ РЕГУЛЯЦИИ ГОРМОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ
Большинство гормональных систем взаимосвязаны между собой и образуют иерархическую лестницу. Верхнюю часть лестницы занимает система гормонов гипоталамуса, контролируемая центральной нервной системой. На стиму-лирующие или тормозящие стимулы из ЦНС клетки гипота-ламуса отвечают выбросом веществ, которые носят название либерины и статины соответственно. Эти нейрогормоны с кровотоком достигают аденогипофиза, где стимулируют (ли-берины) или ингибируют (статины) биосинтез и секрецию тропных гормонов.
Тропные гормоны воздействуют на периферические железы, стимулируя выделение соответствующих гормонов. К подобным системам относятся группы гормонов тиреоид-ной функции, глюкокортикоидной функции и профиль поло-вых гормонов.
Регуляция таких систем осуществляется по принципу обратной отрицательной связи: накопление гормонов пе-риферических желез тормозит секрецию рилизинг-факторов гипоталамуса и тропных гормонов гипофиза. Наиболее зна-чительно это проявляется в отношении регуляции синтеза и секреции стероидных гормонов.
Подавляющее действие на активность эндокринных желез может оказывать и конечный ответ клеток-мишеней, как в случае с регуляцией секреции инсулина и глюкагона, гормонов обмена кальция.
Гормоны 278
ГОРМОНЫ ГИПОТАЛАМУСА
Семейство гипоталамических гормонов – рилизинг-факторов – включает небольшие пептиды, образующиеся в ядрах гипоталамуса. Их функция – регуляция секреции гормонов аденогипофиза: стимулирование – либерины и подавление – статины. Доказано существова-ние семи либеринов и трех статинов.
Тиреолиберин – стимулирует секрецию тиреотропного гормона и пролактина, является антидепрессантом.
Кортиколиберин – стимулирует секрецию АКТГ и -эндорфина, широко влияет на де-ятельность нервной, эндокринной, репродуктивной, кардиоваскулярной, иммунной систем.
Гонадолиберин (люлиберин) – стимулирует высвобождение лютеинизирующего и фол-ликулостимулирующего гормонов. Гонадолиберин присутствует также в гипоталамусе, участ-вуя в центральной регуляции полового поведения.
Фоллиберин – стимулирует высвобождение фолликулостимулирующего гормона.
Пролактолиберин – стимулирует секрецию лактотропного гормона.
Пролактостатин – снижает синтез и секрецию лактотропного гормона.
Соматолиберин повышает синтез и секрецию гормона роста.
Соматостатин – ингибируюет секрецию ТТГ, пролактина, АКТГ и СТГ из гипофиза. Он образуется также в островках поджелудочной железы и контролирует высвобождение глюка-гона, инсулина и гормонов желудочно-кишечного тракта.
Меланостимулирующий фактор, пентапептид оказывает стимулирующее действие на меланотропный гормон.
Меланостатин, может быть три- или пентапептидом, обладает антиопиоидным эффек-том и активностью в поведенческих реакциях.
Кроме рилизинг-гормонов в гипоталамусе синтезируются также антидиуретический гор-мон (вазопрессин) и окситоцин.
ГОРМОНЫ ГИПОФИЗА
СОМАТОТРОПНЫЙ ГОРМОН
Строение
Представляет собой белок, включающий 191 аминокислоту с молекулярной массой 22 кДа и периодом полураспада 20-25'.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 279
Синтез
Осуществляется в ацидофильных клетках гипофиза – подкласс соматотрофов с волнооб-разной секрецией и пиком каждые 20-30'.
Регуляция синтеза и секреции
Активируют:
o гипогликемия (при физической нагрузке и кратком голодании),
o гормоны – андрогены и эстрогены, трийодтиронин (через высвобождение соматолибе-рина),
o некоторые аминокислоты (например, аргинин),
o медленная фаза сна (вскоре после засыпания, особенно у детей).
Уменьшают: гипергликемия, соматомедины.
Механизм действия
Рецептор, связанный с тирозинкиназной активностью.
Существенную роль в рост-стимулирующих эффектах гормона играет инсулиноподоб-ный фактор роста-1 (ИФР-1, соматомедин С), вырабатываемый в клетках после воздействия на нее СТГ.
Мишени и эффекты
Мишенью для СТГ и ИФР-1 являются костная, хрящевая, мышечная, жировая ткани и печень.
Белковый обмен: вызывает положительный азотистый баланс, повышает транспорт аминокислот в печень, мышечную, хрящевую и костную ткани, активирует все стадии био-синтеза белка. Рост-активирующее действие гормона на кости и мышцы наиболее отчетливо проявляется в детском и подростковом возрасте.
Нуклеиновый обмен: активирует синтез РНК и ДНК.
Углеводный обмен:
o снижает чувствительность к инсулину, подавляет переход глюкозы в периферические ткани, стимулирует глюконеогенез в печени, что вызывает гипергликемию.
o в печени повышает запасы гликогена (вместе с глюкокортикоидами и инсулином).
o в мышцах подавляет гликолиз и стимулирует синтез гликогена.
o у детей стимулирует образование хондроитинсульфата в костной ткани.
Липидный обмен: активирует липолиз, накопление жирных кислот в крови и, при недо-статке инсулина, кетогенез. В целом СТГ переводит ткани на использование жирных кислот.
Минеральный обмен: Стимулирует гидроксилирование и активацию витамина D по С1 в почках. Формирует положительный баланс Mg, Ca, P, Na, К, Cl, SO4.
Патология
Гипофункция
o при уменьшении выработки и снижении концентрации в крови возникает гипофизарный нанизм (карликовость). Проявляется в раннем детстве (на 1-4 году), критерием служит снижение скорости роста до 4 см в год и менее.
o при наличии в мишеневых клетках дефектов на рецепторном и пострецепторном уровне (резистентность к СТГ) развивается синдром Ларона,
o при наследственном снижении продукции ИФР-1 в клетках отсутствуют рост-стимули-рующие эффекты гормона. Примером могут служить пигмеи, племена Центральной Аф-рики.
o при нарушении синтеза у взрослых отмечается снижение мышечной массы и тенденция к гипогликемии.
Гиперфункция
o у детей возникает гигантизм, так как еще нет зарастания эпифизарных щелей и возмо-жен ускоренный рост кости,
Гормоны 280
o у взрослых развивается акромегалия – из-за акрального роста кости происходит увели-чение размера носа, стопы, кистей, челюсти.
ВАЗОПРЕССИН (АНТИДИУРЕТИЧЕСКИЙ ГОРМОН)
Строение
Представляет собой пептид, включающий 9 аминокислот, с периодом полураспада 2-4 минуты.
Синтез
Осуществляется в супраоптическом и паравентрикулярном ядрах гипоталамуса. Отсюда в точку секреции (заднюю долю гипофиза) вазопрессин отправляется в виде прогормона, со-стоящего из двух частей – собственно АДГ и нейрофизина. В ходе транспортировки происхо-дит процессинг – гидролиз проАДГ на зрелый гормон и белок нейрофизин.
Регуляция синтеза и секреции
Активируют:
o возбуждение осморецепторов в гипоталамусе и в портальной вене печени (повышение осмолярности плазмы при обезвоживании, почечной или печеночной недостаточности),
o активация барорецепторов сердца (снижение объема крови в сосудистом русле),
В зрелом и пожилом возрасте количество осморецепторов снижается и, значит, снижа-ется чувствительность гипоталамуса к обезвоживанию.
o эмоциональный и физический стресс, интерлейкин 6, никотин, морфин, ацетилхолин, ан-гиотензин II.
Уменьшают: этанол, глюкокортикоиды.
Механизм действия
Зависит от рецепторов:
o кальций-фосфолипидный механизм, проявляется при высоких концентрациях, сопря-жен с V1 рецепторами гладких мышц артериол, печени, тромбоцитов, с V3-рецепторами аденогипофиза и структур головного мозга.
o аденилатциклазный механизм – с V2 рецепторами почечных канальцев.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 281
Мишени и эффекты
Почки
Увеличивает реабсорбцию воды в эпителиоцитах дистальных канальцев и собиратель-ных трубочек, благодаря "выставлению" на мембрану транспортных белков для воды – аква-поринов:
o через аденилатциклазный механизм вызывает фосфорилирование молекул аквапоринов (только тип 2, AQP2), их взаимодействие с белками микротубул и путем экзоцитоза встраивание аквапоринов в апикальную мембрану,
o по тому же механизму стимулирует синтез аквапоринов.
Сосудистая система
Через кальций-фосфолипидный механизм поддерживает стабильное давление крови, стимулируя тонус сосудов:
o повышает тонус гладких мышц сосудов кожи, скелетных мышц и миокарда (в меньшей степени),
o повышает чувствительность механорецепторов в каротидных синусах к изменениям ар-териального давления,
Патология
Гипофункция
Проявляется в виде несахарного диабета (diabetes insipidus – безвкусный диабет). Его частота примерно 0,5% всех эндокринных заболеваний. Проявляется большим объемом мочи до 8 л/сутки, жаждой и полидипсией, сухостью кожи и слизистых, вялостью, раздражительно-стью.
Существуют разные причины гипофункции:
1. Первичный несахарный диабет – дефицит АДГ при нарушении синтеза или повреждениях гипоталамо-гипофизарного тракта (переломы, инфекции, опухоли).
2. Нефрогенный несахарный диабет:
o наследственный – нарушение рецепции АДГ в канальцах почек,
o приобретенный – заболевания почек, повреждение канальцев солями лития при лечении больных психозами.
3. Гестагенный (при беременности) – повышенный распад вазопрессина аргининаминопеп-тидазой плаценты.
4. Функциональный – временное (у детей до года) повышение активности фосфодиэстеразы в почках, приводящее к нарушению действия вазопрессина.
Гиперфункция
Синдром неадекватной секреции – при образовании гормона какими-либо опухолями, при заболеваниях мозга. Появляется риск водной интоксикации и дилюционная гипонатрие-мия.
СЕМЕЙСТВО ПЕПТИДОВ ПРООПИОМЕЛАНОКОРТИНА
Проопиомеланокортин представляет собой пептид, включающий 254 аминокислоты. При его гидролизе в клетках переднего и промежуточного гипофиза появляются три основные группы пептидов этого семейства:
1. Адренокортикотропный гормон (АКТГ) из которого может образоваться -мелано-цитстимулирующий гормон (МСГ) и кортикотропиноподобный промежуточный пептид (КППП).
2. -Липотропин, служащий предшественником -липотропина, -МСГ и -эндор-фина.
3. -Меланоцитстимулирующий гормон.
Гормоны 282
Указанные пептиды способны претерпевать дополнительные модификации с образова-нием новых регуляторных пептидов. Механизмы действия и эффекты большинства производ-ных проопиомеланокортина недостаточно изучены.
ЛИПОТРОПНЫЙ ГОРМОН
-Липотропин представляет собой полипептид. Мишенью являются жировая ткань, где он стимулирует липолиз и мобилизацию жирных кислот.
Основная роль – предшественник эндогенных опиатов -, -, -эндорфинов в головном мозге, которые вызывают обезболивание, снятие ощущений страха и т.п.
МЕЛАНОЦИТСТИМУЛИРУЮЩИЙ ГОРМОН
Представляет собой группу пептидов -МСГ, -МСГ, -МСГ. Синтез происходит в сред-ней доле гипофиза. Действует по аденилатциклазному механизму. Мишенью являются мела-ноциты кожи, радужки, пигментного эпителия сетчатки глаза, в которых стимулирует мела-ниногенез и пигментацию.
Гиперфункция проявляется как симптом усиленной пигментации кожи при первичной недостаточности коры надпочечников (болезни Аддисона), в связи с чем такой гипокортицизм также называют "бронзовая болезнь".
ГОРМОНЫ, РЕГУЛИРУЮЩИЕ ОБМЕН КАЛЬЦИЯ И ФОСФОРА
КАЛЬЦИТРИОЛ
Строение
Представляет собой производное витамина D и относится к стероидам.
Синтез
Образующийся в коже под действием ультрафиолета и поступающие с пищей холекаль-циферол (витамин D3) и эргокальциферол (витамин D2) гидроксилируются в печени по С25 и в почках по С1. В результате формируется 1,25-диоксихолекальциферол (кальцитриол).
Регуляция синтеза и секреции
Активируют: Гипокальциемия повышает гидроксилирование по С1 в почках через уве-личение секреции паратгормона, стимулирующего этот процесс.
Уменьшают: Избыток кальцитриола подавляет гидроксилирование по С1 в почках.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 283
Механизм действия
Цитозольный.
Мишени и эффекты
Эффекты кальцитриола могут быть геномные и негеномные, эндокринные и паракрин-ные
1. Геномный эффект кальцитриола заключается в регуляции концентрации кальция и фосфата в крови:
o в кишечнике индуцирует синтез белков, отвечающих за всасывание кальция и фосфатов,
o в почечных канальцах повышает реабсорбцию ионов кальция и фосфатов,
o в костной ткани усиливает активность остеобластов.
2. Посредством негеномных паракринных механизмов гормон регулирует количество ионов Ca2+ в клетке:
o способствует минерализации кости остеобластами,
o влияет на активность иммунных клеток и модулирует их иммунные реакции,
o участвует в проведении нервного возбуждения,
o поддерживает тонус сердечной и скелетной мускулатуры.
3. Также действие кальцитриола сопровождается подавлением секреции паратиреоидного гормона.
Патология
Гипофункция
см витамин D
ПАРАТИРЕОИДНЫЙ ГОРМОН
Строение
Представляет собой пептид из 84 аминокислот с молекулярной массой 9,5 кДа.
Синтез
Идет в паращитовидных железах. Реакции синтеза гормона высоко активны.
Регуляция синтеза и секреции
Активируют: Гипокальциемия.
Уменьшают: Избыток кальция. Ионы кальция акти-вируют кальций-чувствительную протеазу, гидролизую-щую один из предшественников гормона.
Механизм действия
Аденилатциклазный.
Мишени и эффекты
Эффект паратиреоидного гормона заключается в уве-личении концентрации кальция и снижении концентрации фосфатов в крови. Это достигается тремя способами:
Костная ткань
o при высоком уровне гормона активируются остеокласты и происходит деструкция кост-ной ткани,
o при низких концентрациях гормона активируется перестройка кости и остеогенез.
Почки
o увеличивается реабсорбция кальция и магния,
o уменьшается реабсорбция фосфатов, аминокислот, карбонатов, натрия, хлоридов, суль-фатов,
o также в клетках проксимальных канальцев гормон стимулирует активность 1α-гидрок-силазы, которая осуществляет гидроксилирование 25-оксикальциферола по С1 с образо-ванием кальцитриола.
Гормоны 284
Кишечник
o при участии кальцитриола усиливает всасывание кальция и фосфатов.
Гипофункция
Возникает при случайном удалении желез при операциях на щитовидной железе или при аутоиммунной деструкции ткани желез. Возникающая гипокальциемия и гиперфосфатемия проявляется в виде высокой нервно-мышечной возбудимости, судорог, тетании. При резком снижении кальция возникает дыхательный паралич, ларингоспазм.
Гиперфункция
Первичный гиперпаратиреоз возникает при аденоме желез. Нарастающая гиперкальци-емия вызывает повреждение почек, мочекаменную болезнь.
Вторичный гиперпаратиреоз является результатом почечной недостаточности, при ко-торой происходит нарушение образования кальцитриола, снижение концентрации кальция и компенсаторное возрастание синтеза паратиреоидного гормона.
КАЛЬЦИТОНИН
Строение
Представляет собой пептид, включающий 32 аминокислоты с молекулярной массой 3,6 кДа.
Синтез
Осуществляется в парафолликулярных клетках щитовидной железы.
Регуляция синтеза и секреции
Активируют: ионы кальция, глюкагон.
Механизм действия
Аденилатциклазный.
Мишени и эффекты
Эффект кальцитонина заключается в уменьшении концентрации кальция и фосфатов в крови. В костной ткани подавляет активность остеокластов, что улучшает вход кальция и фос-фатов в кость. В почках подавляет реабсорбцию Ca, P, Na, K, Mg.
Патология
Не отмечено.
ГОРМОНЫ ТИРЕОИДНОЙ ФУНКЦИИ
ТИРЕОТРОПНЫЙ ГОРМОН
Строение
Представляет собой гликопротеин с молекулярной массой 30 кДа, состоит из двух субъ-единиц и -субъединица схожа с таковой гонадотропных гормонов, -субъединица спе-цифична для ТТГ.
Синтез
Осуществляется в базофильных тиреотрофах гипофиза.
Регуляция синтеза и секреции
Активируют: тиреолиберин, охлаждение (закаливание, обливание холодной водой); также усиливается в вечернее время суток.
Уменьшают: соматостатин, тироксин и трийодтиронин (по механизму обратной отри-цательной связи).
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 285
Механизм действия
Аденилатциклазный (связанный с участием Gi-белка) и кальций-фосфолипидный меха-низмы.
Мишени и эффекты
1. Обеспечивает жизнедеятельность щитовидной железы
o стимулирует углеводный обмен (гликолиз, ПФП), синтез гетерополисахаридов,
o повышает синтез белков, фосфолипидов и нуклеиновых кислот,
o усиливает рост и пролиферацию тиреоидных клеток,
o стимулирует васкуляризацию щитовидной железы.
2. Стимулирует гормональную активность щитовидной железы
o повышает захват йода и его включение в тиреоглобулин,
o активирует все стадии образования трийодтиронина и тироксина, в том числе увеличи-вает экспрессию гена тиреопероксидазы.
Патология
При уменьшении выработки ТТГ изменяется масса тела, повышается утомляемость, воз-никают симптомы гипотиреоза (см ниже).
ЙОДТИРОНИНЫ
Строение
Представляют собой йодированные производные аминокислоты тирозина.
Синтез
Осуществляется в фолликулярных клетках щитовидной железы. Йодиды поступают из крови в клетку симпортом с ионами Na+ и из клетки в фолликулярное пространство диффу-зией. На апикальной мембране клеток селен-зависимая гемсодержащая тиреопероксидаза йодирует остатки тирозина в тиреоглобулине с образованием моно- и дийодпроизводных (МИТ, ДИТ) тирозина. Фермент способен катализировать три последовательные реакции:
окисление йодид-иона до молекулярного йода с использованием H2O2,
замещение водорода ароматического кольца тирозина на йод,
конденсация части МИТ и ДИТ до йодтиронинов, при этом доля трийодтиронина (Т3) и тетрайодтиронина (тироксин, Т4) составляет около 30% от всех йодпроизводных.
Гормоны 286
Йодированный тиреоглобулин хранится во внеклеточных коллоидах, при тиреотропной стимуляции пиноцитируется фолликулярными клетками, сливается с лизосомами и гидроли-зуется. Три- и тетрайодтиронин секретируются в кровь. В крови гормоны транспортируются специфическим глобулином, а также альбумином.
Регуляция синтеза и секреции
Активируют: тиреотропный гормон на этапах поглощения йода, синтеза тиреоглобу-лина, эндоцитоза и секреции Т3 и Т4 в кровь.
Уменьшают: тироксин и трийодтиронин (по механизму обратной отрицательной связи), высокие концентрации йода в крови (бесконтрольный прием препаратов KJ).
Механизм действия
Цитозольный.
Мишени и эффекты
Рецепторы к йодтиронинам имеют все ткани организма. В клетках-мишенях тироксин дейодируется и активной формой является трийодтиронин (3,5,3'-производное). Эта реакция ослаблена у плода, новорожденных и престарелых.
Главным эффектом трийодтиронина является повышение активности Na+,K+-АТ-Фазы, что приводит к быстрому расходованию АТФ. В митохондриях увеличивается количе-ство АТФ/АДФ-транслоказы и потребление кислорода, что запускает катаболизм углеводов и липидов. Побочным эффектом усиления катаболизма является наработка тепла.
Белковый обмен:
o усиливает транспорт аминокислот в клетки.
o активирует синтез дифференцировочных белков в ЦНС, гонадах, костной ткани и обу-словливает развитие этих тканей.
o создает "биохимический климат" для белкового анаболизма в органах-мишенях гормона роста, являясь здесь его синергистом.
Углеводный обмен: Увеличивает гликогенолиз и аэробное окисление глюкозы.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 287
Жировой обмен: Повышает чувствительность тканей к катехоламинам, что стимули-рует липолиз и -окисление жирных кислот, подавляет стероидогенез. В печени усиливает синтез желчных кислот.
Нуклеиновый обмен: Активирует начальные стадии синтеза пуринов и пиримидинов, стимулирует дифференцировочный синтез РНК и ДНК.
Также трийодтиронин
o усиливает выделение соматолиберина, что стимулирует секрецию гормона роста, также опосредует его метаболические эффекты,
o в надпочечниках он подавляет синтез катехоламинов.
Патология
Гипофункция
Причина. Развивается при снижении синтеза гормонов в результате недостаточной сти-муляции со стороны гипофиза и гипоталамуса, при заболевании самой железы, при нехватке необходимых веществ (аминокислоты, йод, селен). В 90% случаев причиной выраженного гипотиреоза является болезнь Хашимото, при которой вырабатываются блокирующие ауто-антитела к рецепторам ТТГ.
Клиническая картина. Симптомами гипотиреоза, зачастую неспецифическими, явля-ются отечность, сухость кожи и волос, брадикардия, увеличение массы тела, повышение диа-столического давления (точнее – понижение систолического), вялость, сонливость, запоры, чувствительность к холоду, бледность, скованность мышц, психическая инертность, апатия.
При наличии выраженного гипотиреоза у плодов, новорожденных и детей младшего воз-раста развивается кретинизм, у подростков – отставание в физическом развитии, позднее по-ловое созревание, функциональная дебильность, т.е. замедление мышления, снижение успева-емости в школе, неспособность к творческой деятельности, утрата чувства юмора.
При возникновении выраженного гипотиреоза у женщин отмечается бесплодие и галак-торея (см Регуляция синтеза пролактина), у обоих полов – деменция, психоз.
Гиперфункция
Причина. 90% случаев выраженного гипертиреоза вызвано наличием активирующих аутоантител к рецепторам ТТГ. В этом случае заболевание носит название болезнь фон Базе-дова (в отечественной и европейской литературе) или болезнь Грейвса (в американской ли-тературе).
Клиническая картина. Симптомами гипертиреоза являются субфебрильная темпера-тура (до 37,5С, особенно к вечеру), нервное возбуждение, эмоциональная лабильность и нервозность (плаксивость), похудание, мышечная слабость, повышение аппетита, тахикардия, потливость, непереносимость жары, тремор, диарея.
Гормоны 288
ГОРМОНЫ ПЕРИФЕРИЧЕСКИХ ЖЕЛЕЗ
КАТЕХОЛАМИНЫ
Строение
Представляют собой производные аминокислоты тирозина.
Синтез
Осуществляется в клетках мозгового слоя надпочечников (80% всего адреналина), син-тез норадреналина (80%) происходит также в нервных синапсах.
Регуляция синтеза и секреции
Активируют: стимуляция чревного нерва, стресс.
Уменьшают: гормоны щитовидной железы.
Механизм действия
В зависимости от рецептора:
1. Аденилатциклазный механизм:
o при задействовании 2-адренорецепторов аденилатциклаза ингибируется,
o при задействовании 1- и 2-адренорецепторов аденилатциклаза активируется.
2. Кальций-фосфолипидный механизм при возбуждении 1-адренорецепторов.
Конечный эффект гормонов зависит от преобладания типа рецепторов на клетке и кон-центрации гормона в крови.
Мишени и эффекты
При возбуждении 1-адренорецепторов (печень, сердечно-сосудистая и мочеполовая си-стемы):
o активация гликогенолиза,
o сокращение гладких мышц кровеносных сосудов и мочеполовой системы.
При возбуждении 2-адренорецепторов (жировая ткань, поджелудочная железа, почки):
o подавление липолиза, секреции инсулина, секреции ренина.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 289
При возбуждении 1-адренорецепторов (есть во всех тканях):
o активация липолиза,
o увеличение силы и частоты сокращений миокарда.
При возбуждении 2-адренорецепторов (есть во всех тканях):
o стимуляция гликогенолиза в печени и мышцах, и глюконеогенеза в печени,
o расслабление гладких мышц бронхов, кровеносных сосудов, мочеполовой системы и же-лудочно-кишечного тракта.
В жировой ткани 2-адренорецепторы возбуждаются при низких концентрациях адреналина – в результате снижается липолиз. При высоких концентрациях адре-налина стимулируются 1- 2- 3-адренорецепторы и липолиз активируется.
В целом катехоламины отвечают за реакции адаптации к острым стрессам – "борьба или бег-ство":
o продукция жирных кислот для мышечной активности,
o гипергликемия для повышения устойчивости ЦНС,
o снижение анаболических процессов через уменьшение секреции инсулина.
Более отчетливо адаптация прослеживается в физиологических реакциях:
o мозг – усиление кровотока и стимуляция обмена глюкозы,
o сердечно-сосудистая система – увеличение силы и частоты сокращений миокарда,
o легкие – расширение бронхов, улучшение вентиляции и потребления кислорода,
o мышцы – стимуляция гликогенолиза, усиление сократимости,
o печень – увеличение продукции глюкозы за счет глюконеогенеза и гликогенолиза,
o жировая ткань – усиление липолиза,
o кожа – снижение кровотока,
o лимфоидная ткань – активация протеолиза.
Патология
Гиперфункция
Опухоль мозгового вещества надпочечников феохромоцитома. Ее диагностируют только после проявления гипертензии и лечат удалением опухоли.
ГЛЮКАГОН
Строение
Представляет собой полипептид, включающий 29 аминокислот с молекулярной массой 3,5 кДа и периодом полураспада 3-6 мин.
Синтез
Осуществляется в клетках поджелудочной железы и в клетках тонкого кишечника.
Регуляция синтеза и секреции
Активируют: гипогликемия, адреналин.
Уменьшают: глюкоза, жирные кислоты.
Механизм действия
Аденилатциклазный.
Мишени и эффекты
Жировая ткань
Повышает активность внутриклеточной гормон-чувствительной ТАГ-липазы и, соответ-ственно, стимулирует липолиз.
Печень
o активация глюконеогенеза и гликогенолиза,
o за счет повышенного поступления жирных кислот из жировой ткани усиливает кетогенез.
Гормоны 290
Патология
Гиперфункция
Глюкагонома – редко встречающееся новообразование из группы нейроэндокринных опухолей. У больных отмечается гипергликемия и поражение кожи и слизистых оболочек.
ИНСУЛИН
Строение
Представляет собой полипептид, состоящий из двух цепей А и В, связанных между со-бой дисульфидными мостиками, в инсулине человека 51 аминокислота и ММ 5,7 Д.
Синтез
Синтезируется в клетках поджелудочной железы в виде проинсулина, в этом виде он упаковывается в секреторные гранулы и уже здесь образуется инсулин и С-пептид.
Регуляция синтеза и секреции
Активируют синтез и секрецию:
o глюкоза крови – главный регулятор, пороговая концентрация для секреции инсулина – 5,5 ммоль/л,
o жирные кислоты и аминокислоты,
o влияние n.vagus – находится под контролем гипоталамуса, активность которого опреде-ляется концентрацией глюкозы крови,
o гормоны ЖКТ: холецистокинин, секретин, гастрин, энтероглюкагон, желудочный инги-бирующий полипептид,
o хроническое воздействие гормона роста, глюкокортикоидов, эстрогенов, прогестинов.
Механизм действия
Рецептор инсулина представляет собой гликопротеин, построенный из двух димеров, каждый из которых состоит из α- и β-субъединиц.
После связывания инсулина с рецептором активируется ферментативный домен рецеп-тора. Так как он обладает тирозинкиназной активностью, то фосфорилирует внутриклеточные белки, которые называются субстраты инсулинового рецептора.
Дальнейшие события развиваются по двум направлениям:
1. Активация фосфатидилинозитол-3-киназы с дальнейшей каскадной активацией метабо-лических ферментов – в основном контролируют реакции обмена белков, углеводов и ли-пидов. Результатом являются быстрые и очень быстрые эффекты инсулина – активация ГлюТ-4 и поступление глюкозы в клетку, изменение активности "метаболических" фер-ментов – гормон-чувствительной липазы, гликогенсинтазы, гликогенфосфорилазы и ки-назы гликогенфосфорилазы, ацетил-SКоА-карбоксилазы и других.
2. Активация каскада реакций, приводящих к действию MAP-киназы (mitogen-activated pro-tein kinase). Этот каскад запускает медленные эффекты – рост, пролиферация и дифферен-цировка клеток, процессы апоптоза и антиапоптоза.
Тем не менее, такое подразделение условно, так как в клетке присутствуют ферменты, чувствительные к активации и того и другого каскадного пути.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 291
Мишени и эффекты
Быстрые эффекты
1. Активируя фосфодиэстеразу, которая разрушает вторичный мессенджер цАМФ, инсу-лин прерывает эффекты адреналина и глюкагона на печень и жировую ткань.
2. В мышцах и жировой ткани стимулирует транспорт глюкозы в клетки (активация Глют-4).
3. В печени и мышцах ускоряет синтез гликогена (активация гликогенсинтазы).
4. В печени, мышцах и адипоцитах инсулин стимулирует гликолиз, активируя фосфо-фруктокиназу и пируваткиназу.
5. Полученный в гликолизе пируват превращается в ацетил-SКоА под влиянием акти-вированного инсулином пируватдегидрогеназного комплекса, и далее используется для син-теза жирных кислот. Превращение ацетил-SКоА в малонил-SКоА, первый субстрат синтеза жирных кислот, также стимулируется инсулином (ацетил-SКоА-карбоксилаза).
7. В мышцах усиливает транспорт нейтральных аминокислот в миоциты и стимулирует трансляцию (рибосомальный синтез белков).
Медленные эффекты
Медленные эффекты заключаются в изменении транскрипции генов и скорости трансля-ции ферментов, отвечающих за обмен веществ, за рост и деление клеток. Благодаря этому по-вышается синтез ферментов
o обмена углеводов в печени (глюкокиназа, пируваткиназа, глюкозо-6-фосфатдегидроге-наза),
o метаболизма липидов в печени (АТФ-цитрат-лиаза, ацетил-SКоА-карбоксилаза, син-таза жирных кислот, цитозольная малатдегидрогеназа) и адипоцитах (ГАФ-дегидрогеназа, пальмитатсинтаза, липопротеинлипаза).
В тоже время инсулин репрессирует синтез фосфоенолпируват-карбоксикиназы (глю-конеогенез).
Очень медленные эффекты растягиваются на сутки и реализуют митогенез и размноже-ние клеток.
Гормоны 292
Именно группой очень медленных эффектов объясняется "парадокс" наличия ин-сулинорезистентности адипоцитов при сахарном диабете 2 типа и одновременное увеличение массы жировой ткани, запасание в ней липидов под влиянием гиперг-ликемии и инсулина.
Патология
Гипофункция
Инсулинзависимый и инсулиннезависимый сахарный диабет.
САХАРНЫЙ ДИАБЕТ
Сахарный диабет (СД) – полиэтиологическое заболевание, связанное:
o со снижением количества β-клеток островков Лангерганса,
o с нарушениями на уровне синтеза инсулина,
o с мутациями, приводящими к молекулярному дефекту гормона,
o со снижением числа рецепторов к инсулину и их аффинности в клетках-мишенях,
o с нарушениями внутриклеточной передачи гормонального сигнала.
Выделяют два основных типа сахарного диабета:
1. Инсулинзависимый сахарный диабет (ИЗСД, диабет I типа) – диабет детей и подростков (ювенильный), его доля составляет около 20% от всех случаев СД;
2. Инсулиннезависимый сахарный диабет (ИНЗСД, диабет II типа) – диабет взрослых, его доля – около 80%.
Подразделение типов СД на взрослый и ювенильный не всегда корректно, так как встре-чаются случаи развития ИНЗСД в раннем возрасте, также ИНЗСД может переходить в инсу-линзависимую форму.
Сравнительная характеристика типов сахарного диабета
Инсулинзависимый сахарный диабет
Инсулиннезависимый сахарный диабет
Возраст
Дети, подростки
Средний, пожилой
Начало
Острое (несколько дней)
Постепенное (годы)
Внешний вид (до лечения)
Худощавое
У 80% ожирение
Снижение массы тела (до лечения)
Обычно есть
Не характерно
Концентрация инсулина в крови
Снижена в 2-10 раз
В норме или повышена
Концентрация С-пептида
Резко снижена или отсутствует
В норме или повышена
Семейный анамнез
Отягощен редко
Часто отягощен
Зависимость от инсулина
Полная
Только у 20%
Склонность к кетоацидозу
Есть
Нет
Причины
Развитие ИЗСД обусловлено недостаточным синтезом инсулина в β-клетках остров-ков Лангерганса поджелудочной железы. Среди причин этого в настоящее время на первый план выдвигаются аутоиммунные поражения и инфицирование β-тропными вирусами (вирусы Коксаки, Эпштейна-Бар, эпидемического паротита).
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 293
Для ИНЗСД ведущей причиной является инсулинорезистентность из-за снижения чув-ствительности клеток-мишеней к гормону. Причиной инсулинорезистентности могут быть ре-цепторные и пострецепторные механизмы.
Механизмы инсулинорезистентности
Пострецепторные механизмы
Сопровождаются ослаблением проведения сигнала через ФИ-3-киназный путь:
1. Дефекты трансмембранных переносчиков глюкозы (ГлюТ4).
2. Нарушение активации белков сигнального пути. В настоящее время главной причиной считают
o ухудшение взаимодействия инсулинового рецептора со своими субстратами,
o ошибочное фосфорилирование и инактивация белка IRS киназами, активируемыми про-воспалительными цитокинами,
o нарушение активности фосфатидилинозитол-3-киназы.
Рецепторные механизмы
1. Функциональные нарушения рецепторов – замедляют связывание инсулина и увеличи-вают время ответа на него:
Гормоны 294
o увеличение диаметра и площади поверхности жировых клеток (ожирение) - снижение скорости образования рецепторных микроагрегатов,
o повышенная вязкость мембран (снижение доли ненасыщенных жирных кислот в фосфо-липидах, увеличение содержания холестерина),
o блокирование инсулиновых рецепторов антителами,
o нарушение мембран в результате активации процесов ПОЛ.
2. Структурные нарушения рецепторов – не позволяют связываться с гормоном или отвечать на его сигнал:
o изменение конформации рецепторов инсулина под влиянием продуктов окислительного стресса.
Диагностика
Диагноз инсулинзависимого сахарного диабета ставится если:
1. Имеются классические симптомы (полиурия, полидипсия, снижение массы тела) и концентрация глюкозы натощак в повторных анализах капиллярной крови более 6,1 ммоль/л.
2. В сомнительных (и только!) случаях – отсутствие симптомов в сочетании неоднознач-ностью результатов анализов – рекомендуется нагрузочная проба с глюкозой. Она заключа-ется в приеме испытуемым глюкозы из расчета 1,5-2,0 г на кг массы тела. Пробы крови отби-рают непосредственно перед приемом глюкозы (нулевая минута, "тощаковый" уровень) и да-лее через 30, 60, 90 и 120 минут, при необходимости на 180 минуте.
В норме повышение концентрации глюкозы составляет 50-75% к 60 минуте исследова-ния и снижается до исходных величин к 90-120 минутам. В абсолютных единицах по реко-мендации ВОЗ подъем уровня глюкозы должен быть не более 7,5 ммоль/л при исходном 4,0-5,5 ммоль/л.
Гипергликемические кривые проявляются повышенным в 2-3 раза уровнем глюкозы крови после нагрузки, что свидетельствует о нарушении гормональных взаимодействий. Нор-мализация показателей происходит крайне медленно и завершается не ранее 150-180 минут. Наиболее частой причиной таких кривых является скрытый сахарный диабет 2 типа или по-вреждение паренхимы печени. Избыток катехоламинов при феохромоцитоме и трийодтиро-нина при гиперфункции щитовидной железы, гиперкортицизм, заболевания гипоталамуса и гипофиза также проявляются в виде гипергликемической кривой.
Гипогликемические кривые – повышение концентрации глюкозы не более чем на 25% с быстрым возвращением к исходным значениям. Наблюдаются при аденоме островков Лан-герганса, гипотиреозе, гипофункции коры надпочечников, заболеваниях кишечника и дисбак-териозе, гельминтозе.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 295
Иногда пробы берут только на 0 и 120 минутах, однако это нежелательно, так как упускается дополнительная информация о состоянии организма. Например, по кру-тизне восходящей части кривой можно судить об активности n. vagus, отвечаю-щего за секрецию инсулина, о всасывающей функции кишечника, о способности печени усваивать глюкозу. К примеру, "голодная" печень с истощенными запасами гликогена более активно потребляет глюкозу из крови воротной вены по сравне-нию с "сытой", и подъем кривой более плавный. Аналогичная кривая наблюдается при ухудшении всасывания глюкозы вследствие заболевания слизистой кишеч-ника. При циррозе печени отмечается обратная картина.
Осложнения сахарного диабета
Быстрые последствия
Быстрые последствия, как правило, характерны для ИЗСД.
1. Высокая гипергликемия – так как практически отсутствует влияние эндогенного ин-сулина и превалирует влияние глюкагона, адреналина, кортизола, гормона роста.
2. Глюкозурия – в результате превышения почечного порога для глюкозы, т.е. концен-трации глюкозы в крови, при которой она появляется в моче (около 10,0 ммоль/л). В норме в моче уровень глюкозы 0,8 ммоль/л и до 2,78 ммоль/сут, в других единицах около 0,5 г/сут, при СД количество теряемой глюкозы составляет до 100 г/сут и более.
3. Преобладание катаболизма белков над анаболизмом ведет к накоплению продуктов азотистого обмена, в первую очередь мочевины и ее повышенному выведению. Углеродный скелет аминокислот уходит в глюконеогенез.
4. Глюкоза и мочевина осмотически удерживают воду в просвете почечного канальца и возникает полиурия. Объем мочи возрастает в 2-3 раза. Активируется центр жажды и начи-нается полидипсия.
5. Повышенный распад ТАГ в жировой ткани и печени обусловливает аномально высо-кое окисление жирных кислот и накопление ацетил-SКоА, что при нехватке инсулина стиму-лирует образование кетоновых тел. Это приводит к кетонемии, кетонурии и кетоацидозу. При сахарном диабете концентрация кетоновых тел возрастает в 100-200 раз и достигает 350 мг% (норма 2 мг% или 0,1-0,6 ммоль/л).
6. При полиурии с мочой теряются ионы натрия и калия, и ионы бикарбоната, что усугубляет ацидоз.
Гормоны 296
7. В результате п.п.4,5,6 возникает дегидратация (в тяжелых случаях до 5 л) организма, которая заключается в падении объема крови, приводит к обезвоживанию клеток и их смор-щиванию (дряблая кожа, запавшие глаза, мягкие глазные яблоки, сухость слизистых), умень-шению артериального давления. Ацидоз вызывает одышку (дыхание Куссмауля) и дополни-тельную дегидратацию.
8. Дегидратация неминуемо приводит к недостаточности кровообращения в тканях – активируется анаэробный гликолиз, накапливается лактат и в дополнение к кетоацидозу воз-никает лактоацидоз.
10. Закисление среды вызывает изменение взаимодействия инсулина с рецепторами, клетки становятся нечувствительными к инсулину – инсулинорезистентность.
11. Ацидоз крови уменьшает концентрацию 2,3-дифосфоглицерата в эритроцитах. Это, повышая сродство гемоглобина к кислороду, создает тканевую гипоксию и усугубляет лакто-ацидоз.
Отдаленные последствия
Характерны для обоих типов СД.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 297
Гипергликемия резко повышает потребление глюкозы инсулиннезависимыми тканями (в частности, клетки артериальных стенок, эндотелий, клетки Шванна, эритроциты, хрусталик и сетчатка глаза, семенники и гломерулярные клетки почек), в них вынужденно активируются особые пути метаболизма глюкозы. Интенсивность последних определяется только доступно-стью глюкозы:
1. Превращение глюкозы в сорбитол. Сорбитол плохо проникает через клеточные мембраны, его накопление в цитозоле приво-дит к осмотическому набуханию клеток и нарушению их функций. Например, возник-новение катаракты хрусталика, развитие нейропатий (нарушение осязания) из-за нару-шений в клетках Шванна.
2. Неферментативное гликозилирование различных белков, изменение их свойств и активация их синтеза за счет избытка энергии:
o увеличивается синтез гликопротеинов базальной мембраны почечных клубочков, что приводит к окклюзии капилляров и нарушению фильтрации,
o увеличивается синтез гликопротеинов в стекловидном теле и сетчатке глаза, что вызы-вает отек сетчатки и кровоизлияния (ретинопатии), гликозилированные белки хруста-лика объединяются в крупные агрегаты, рассеивающие свет, что вызывает помутнение хрусталика и катаракту,
o гликозилирование коллагена базальных мембран, повреждение эндотелия мелких сосу-дов, усиление синтеза гликопротеинов и гликозаминогликанов приводит к возникнове-нию микроангиопатий и потенциирует развитие нефро-, ретино- , нейропатий,
o гликозилирование гемоглобина в эритроцитах, образование гликозилированного гемо-глобина HbA1C,
o гликозилирование белков свертывающей системы, что увеличивает вязкость крови,
o гликозилирование белков ЛПНП уменьшает их связывание с рецепторами и повышает концентрацию ХС в крови, что вызывает макроангиопатии и развитие атеросклероза со-судов мозга, сердца, почек, конечностей.
o гликозилирование белков ЛПВП, что усиливает их сродство к рецепторам и быструю элиминацию из кровотока.
С течением времени возникают макроангиопатии, развивается атеросклероз сосудов мозга, сердца, почек, конечностей. Характерно в основном для ИНЗСД.
ГРУППА ГОРМОНОВ РЕПРОДУКТИВНОЙ СИСТЕМЫ
ОКСИТОЦИН
Строение
Представляет собой пептид, состоящий из 9 аминокислот и периодом полураспада 5 ми-нут.
Синтез
Осуществляется в гипоталамусе. В точку секреции – заднюю долю гипофиза – гормон попадает по аксонам с белком-переносчиком нейрофизином.
Регуляция синтеза и секреции
Стимулируют секрецию раздражение грудных сосков (кормление грудью), беремен-ность, увеличение частоты секс-контактов, стресс, сон, серотонин.
Гормоны 298
Механизм действия
Точно не известен. Связан с регуляцией количества простагландинов в клетке и измене-нием потоков ионов Cа2+ и Na+.
Мишени и эффекты
Матка
Изменяя ионные потоки в миометрии матки, вызывает ее сокращение. С повышением срока беременности чувствительность матки к гормону возрастает.
Молочная железа
В миоэпителиальных клетках альвеол стимулирует спазм протоков и выделение молока.
Жировая ткань
Увеличивает потребление глюкозы и, следовательно, синтез триацилглицеролов.
ПРОЛАКТИН (МАММОТРОПИН, ЛАКТОТРОПНЫЙ ГОРМОН, ЛТГ)
Строение
Представляет собой пептид из 198 аминокислот с молекулярной массой 23 кДа.
Синтез
Осуществляется в ацидофильных клетках гипофиза – подкласс лактотрофов
Регуляция синтеза и секреции
Активируют: пролактолиберин и тиреолиберин (имеет значение при первичном гипо-тиреозе!), эстрогены.
Уменьшают: (подавляет транскрипцию) пролактостатин (является дофамином).
Стимулируют секрецию: раздражение грудных сосков при кормлении грудью, бере-менность, увеличение частоты секс-контактов, стресс, сон, серотонин, эстрогены, ангиотен-зин II.
Снижает секрецию диоксифенилаланин (ДОФА).
Механизм действия
Рецептор с ферментативной тирозинкиназной активностью. Конечным результатом гор-мон-рецепторного взаимодействия является регуляция транскрипции генов.
Мишени и эффекты
В почках, наряду с паратгормоном и СТГ, стимулирует гидроксилирование и активацию витамина D.
У женщин
o повышает синтез РНК казеиногена, лактозосинтазы и ДНК,
o стимулирует рост молочной железы и ее лактацию в присутствии достаточного уровня женских половых гормонов, кортикостероидов и инсулина,
o при беременности поддерживает активность желтого тела и секрецию прогестерона,
o принимает участие в поддержании материнского инстинкта.
У мужчин
o в клетках Лейдига увеличивает синтез тестостерона,
o стимулирует предстательную железу и ее секрецию,
o потенциирует действие ЛГ и ФСГ на сперматогенез и активность сперматозоидов.
Патология
Гипофункция
Синдром Шихана – фактором риска является избыточная кровопотеря при родах, что приводит к нарушению кровоснабжения и некрозу гипофиза. Первым признаком является пре-кращение лактации, далее обнаруживаются другие симптомы гипопитуитаризма.
Гиперфункция
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 299
Причина. Избыточный синтез возникает при гипотиреозе, гормонпродуцирующих опу-холях, хронической почечной недостаточности.
Клиническая картина. В результате развивается бесплодие у мужчин и женщин, импо-тенция и гинекомастия мужчин, аменорея и галакторея женщин.
Повышенный уровень гормона при послеродовой лактации оказывает небольшое анову-ляторное действие на яичники, что может снизить вероятность новой беременности.
ГОНАДОТРОПНЫЕ ГОРМОНЫ
К ним относят фолликулостимулирующий (ФСГ) и лютеинизирующий (ЛГ) гор-моны, хориогонин человека.
Строение
ФСГ и ЛГ представляют собой гликопротеины с молекулярной массой 30 кДа.
Хориогонин – гормон плаценты, также является гликопротеином. Все эти гормоны со-стоят из субъединиц и -субъединица у каждого гормона индивидуальна, субъединица у них одинакова и схожа с -субъединицей тиреотропного гормона.
Синтез
Осуществляется в гонадотрофах гипофиза.
Регуляция синтеза и секреции
Гонадолиберин активирует синтез и секрецию волнообразно с циклом около 90'.
Уменьшают синтез эндорфины и половые гормоны опосредованно через подавление синтеза гонадолиберина. Половые гормоны в зависимости от их концентрации напрямую по-давляют секрецию этих гормонов.
Механизм действия
Аденилатциклазный.
Мишени и эффекты
У мужчин
Лютеинизирующий гормон
Фолликулостимулирующий гормон
o в клетках Лейдига увеличивает синтез холестерола и далее тестостерона.
o стимулирует рост семенных канальцев, семенников, инициирует сперматоге-нез,
o действует на клетки Сертоли семенни-ков и повышает синтез андрогенсвязы-вающего белка, обеспечивающего за-хват из крови и транспорт тестостерона к семявыносящим канальцам и при-датку яичка. Это позволяет повысить концентрацию тестостерона в данном месте и стимулировать сперматогенез.
У женщин
Лютеинизирующий гормон
Фолликулостимулирующий гормон
o в желтом теле увеличивает синтез холе-стерола, прогестерона и андрогенов,
o в результате эстрадиол-зависимого по-вышения концентрации вызывает ин-дукцию овуляции.
o активирует рост фолликулов и готовит их к действию ЛГ,
o усиливает превращение андрогенов в эстрогены.
Патология
Гипофункция
o у детей возникает позднее половое созревание,
Гормоны 300
o у женщин – олигоменорея, отсутствие овуляции и бесплодие, атрофия молочной железы и гениталий,
o у мужчин – импотенция, азооспермия, атрофия тестикул,
o у обоих полов – снижение либидо, роста волос на теле, истончение кожи и ее морщины.
Гиперфункция
У женщин повышение ФСГ приводит к дисфункциональным маточным кровотечениям.
ПОЛОВЫЕ ГОРМОНЫ
Строение
Являются производными холестерола – стероиды.
Синтез
Женские гормоны: эстрогены синтезируются в фолликулах яичников, прогестерон – в желтом теле. Частично гормоны могут образовываться в адипоцитах в результате ароматиза-ции андрогенов.
Мужские гормоны: на 95% тестостерон синтезируется в клетках Лейдига семенников и на 5% в периферических тканях при метаболизме андрогенов, образованных в сетчатой и пуч-ковой зонах надпочечников.
Механизм действия
Цитозольный.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 301
ЖЕНСКИЕ ПОЛОВЫЕ ГОРМОНЫ
Регуляция синтеза и секреции
Активируют: синтез эстрогенов – лютеинизирующий и фолликулостимулирующий гор-моны, синтез прогестерона – лютеинизирующий гормон.
Уменьшают: половые гормоны по механизму обратной отрицательной связи.
Гормональный цикл женщины
1. В начале цикла несколько фолликулов начинают увеличиваться в размерах в ответ на ФСГ-стимуляцию. Затем один из фолликулов начинает расти быстрее.
2. Под влиянием ЛГ гранулезные клетки этого фолликула синтезируют эстрогены, которые подавляют секрецию ФСГ и способствуют регрессии других фолликулов.
3. Постепенное накопление эстрогенов к середине цикла является стимулом для секреции ФСГ и ЛГ перед овуляцией.
4. Резкое повышение концентрации ЛГ также может быть обусловлено постепенным накопле-нием прогестерона (под влиянием того же ЛГ) и срабатыванием механизма обратной по-ложительной связи.
5. После овуляции образуется желтое тело, продуцирующее прогестерон.
6. Высокие концентрации стероидов подавляют секрецию гонадотропных гормонов, желтое тело в результате дегенерирует и синтез стероидов снижается. Это вновь активирует синтез ФСГ и цикл повторяется.
При возникновении беременности желтое тело стимулируется хорионическим гонадо-тропином, который начинает синтезироваться через две недели после овуляции.
Гормоны 302
Мишени и эффекты
Эстрогены
1. При половом созревании эстрогены активируют синтез белка и нуклеиновых кислот в органах половой сферы и обеспечивают формирование половых признаков: ускоренный рост и закрытие эпифизов длинных костей, определяют распределение жира на теле, пигмен-тацию кожи, стимулируют развитие влагалища, маточных труб, матки, развитие стромы и про-токов грудных желез, рост подмышечных и лобковых волос.
2. В организме взрослой женщины:
Биохимические эффекты
Другие эффекты
o активирует в печени синтез транспорт-ных белков для тироксина, железа, меди и т.п.,
o стимулирует синтез факторов свертыва-ния крови – II, VII, IX, X, плазминогена, фибриногена, подавляет синтез антит-ромбина III и адгезию тромбоцитов,
o увеличивает синтез ЛПВП, подавляет ЛПНП, повышает концентрацию ТАГ в крови и снижает содержание холесте-рола,
o снижает резорбцию кальция из костной ткани.
o стимулирует рост железистого эпите-лия эндометрия,
o определяет структуру кожи и подкож-ной клетчатки,
o подавляет перистальтику кишечника, что повышает абсорбцию веществ.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 303
Прогестерон
Прогестерон является основным гормоном второй половины цикла и его задача – обес-печить наступление и сохранение беременности.
Биохимические эффекты
Другие эффекты
o повышает активность липопротеинли-пазы на эндотелии капилляров,
o увеличивает концентрацию инсулина в крови,
o подавляет реабсорбцию натрия в почках,
o является ингибитором ферментов дыха-тельной цепи, что снижает катаболизм,
o ускоряет выведение азота из организма женщины.
o расслабляет мышцы беременной матки,
o усиливает реакцию дыхательного цен-тра на СО2, что снижает в крови пар-циальное давление СО2 при беремен-ности и в лютеиновую фазу цикла,
o обусловливает рост молочной железы при беременности.
Патология
Гипофункция
Врожденная или приобретенная гипофункция половых желез неизбежно приводит к остеопорозу. Патогенез его не вполне понятен, хотя известно, что эстрогены замедляют ре-зорбцию кости.
Гиперфункция
Женщины. Повышение прогестерона может проявляться маточными кровотечениями и нарушением менструального цикла. Повышение эстрогенов может проявляться маточными кровотечениями.
Мужчины. Высокие концентрации эстрогенов ведут к недоразвитию половых органов (гипогонадизму), к атрофии простаты и сперматогенного эпителия яичек, ожирению по жен-скому типу и росту грудных желез.
МУЖСКИЕ ПОЛОВЫЕ ГОРМОНЫ
Механизм действия
Цитозольный.
Регуляция синтеза и секреции
Синтез тестостерона усиливается в клетках Лейдига при помощи ЛГ.
Мишени и эффекты
Тестостерон вызывает синтез всего, что позволяет увеличить массу тканей.
Биохимические эффекты
Другие эффекты
o задержка азота,
o активация синтеза белков, РНК, ДНК, липидов, полиса-харидов большинства тка-ней.
o совместно с СТГ ускоряет рост кости в отрочестве с последующей остановкой роста и закрытием эпифи-зов,
o усиливает продукцию эритроцитов,
o обусловливает рост мышц,
o стимулирует сальные железы, что повышает жирность кожи и вызывает возникновение угрей (acne vulgaris). Может наблюдаться у подростков обоего пола и у жен-щин в менопаузе,
o увеличивает общую пигментацию, снижение тембра голоса,
o определяет распределение жира,
o увеличивает сперматогенез и развитие предстательной железы,
Гормоны 304
o отвечают за сексуальное влечение как у мужчин, так и у женщин.
Патология
Гипофункция
Мужчины. При возникновении гипогонадизма в детском возрасте замедляется половое созревание и развитие половых органов. У взрослых происходит демаскулинизация, беспло-дие.
Врожденная или приобретенная гипофункция половых желез неизбежно приводит к остеопорозу. Патогенез его не вполне понятен, хотя известно, что андрогены оказывают ана-болическое действие на костную ткань у мужчин.
Гиперфункция
Мужчины и женщины. Сальность кожи, себорея, угри.
Женщины. Повышение уровня андрогенов проявляется повышенным ростом волос на руках, ногах, животе, лице (чаще над верхней губой), вокруг сосков, ухудшением состояния кожи (acne vulgaris – угревая сыпь), при длительно повышенном уровне андрогенов (напри-мер, при адреногенитальном синдроме) фигура женщины приобретает мужские черты (узкий таз, широкие плечи, развитая мышечная масса). Повышенный уровень андрогенов может при-водить к бесплодию или самопроизвольному выкидышу.
ГОРМОНЫ ГИПОТАЛАМО-ГИПОФИЗАРНО-НАДПОЧЕЧНИКОВОЙ СИСТЕМЫ
ПРОИЗВОДНЫЕ ПРООПИОМЕЛАНОКОРТИНА
Проопиомеланокортин представляет собой пептид, включающий 254 аминокислоты. При его гидролизе в клетках переднего и промежуточного гипофиза образуется ряд гормонов: -, -меланоцитстимулирующие гормоны (МСГ), адренокортикотропный гормон (АКТГ), --липотропины, эндорфины, мет-энкефалин.
АДРЕНОКОРТИКОТРОПНЫЙ ГОРМОН
Строение
Представляет собой пептид, включающий 39 аминокислот.
Регуляция синтеза и секреции
Максимальная концентрация в крови достигается в утренние часы, минимальная в пол-ночь.
Активируют: кортиколиберин при стрессе (тревога, страх, боль), вазопрессин, ангио-тензин II, катехоламины
Уменьшают: глюкокортикоиды.
Механизм действия
Аденилатциклазный.
Мишени и эффекты
В жировой ткани стимулирует липолиз.
В надпочечниках стимулирует образование белка и нуклеиновых кислот для роста их ткани, активирует синтез холестерола de novo и его образование из эфиров, синтез прегнено-лона.
Патология
Гиперфункция
Проявляется болезнью Иценко-Кушинга – симптомы гиперкортицизма (см ниже) и спе-цифичные симптомы:
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 305
o активация липолиза,
o увеличение пигментации кожи из-за частичного меланоцитстимулирующего эффекта, благодаря чему появился термин "бронзовая болезнь".
ГЛЮКОКОРТИКОИДЫ
Строение
Глюкокортикоиды являются производными холестерола – стероидные гормоны. Основ-ным гормоном у человека является кортизол.
Синтез
Осуществляется в сетчатой и пучковой зонах коры надпочечников (схему синтеза кор-тизола см выше).
Регуляция синтеза и секреции
Активируют: АКТГ, обеспечивающий нарастание концентрации кортизола в утренние часы, к концу дня содержание кортизола снова снижается. Кроме этого, имеется нервная сти-муляция секреции гормонов.
Уменьшают: кортизол по механизму обратной отрицательной связи.
Механизм действия
Цитозольный.
Мишени и эффекты
Мишенью является мышечная, лимфоидная, эпителиальная (слизистые оболочки и кожа), жировая и костная ткани, печень.
Белковый обмен
Значительно повышает катаболизм белков в мишеневых тканях. Однако в печени в це-лом стимулирует анаболизм белков.
Углеводный обмен
В целом вызывают повышение концентрации глюкозы крови:
o снижение проницаемости мембран для глюкозы в инсулинзависимых тканях.
o стимуляция глюконеогенеза посредством увеличения синтеза фосфоенолпируват-кар-боксикиназы и синтеза аминотрансфераз, обеспечивающих использование углеродного скелета аминокислот,
o увеличение синтеза гликогена в печени за счет активации фосфатаз и дефосфорилирова-ния гликогенсинтазы.
Жировой обмен
o стимуляция липолиза в жировой ткани благодаря индукции синтеза ТАГ-липазы, что обеспечивает эффекты СТГ, глюкагона, катехоламинов, АКТГ.
Водно-электролитный обмен
o слабый минералокортикоидный эффект на канальцы почек вызывает реабсорбцию натрия и потерю калия,
o потеря воды и излишняя задержка натрия в результате подавления секреции вазопрессина и увеличения активности ренин-ангиотензин-альдостероновой системы.
Гормоны 306
Противовоспалительное и иммунодепрессивное действие
o увеличивает перемещение лимфоцитов, моноцитов, эозинофилов и базофилов в лимфо-идную ткань,
o повышение уровня лейкоцитов в крови за счет их выброса из костного мозга и тканей,
o подавление функций лейкоцитов и тканевых макрофагов через снижение синтеза эйкоза-ноидов посредством снижения транскрипции ферментов фосфолипазы А2 и циклоокси-геназы.
Другие эффекты
Повышает чувствительность бронхов и сосудов к катехоламинам, что обеспечивает нор-мальное функционирование сердечно-сосудистой и бронхолегочной систем.
Патология
Гипофункция
Первичная недостаточность – болезнь Аддисона проявляется:
o гипогликемия,
o повышенная чувствительность к инсулину,
o анорексия и снижение веса,
o слабость,
o гипотензия,
o гипонатриемия и гиперкалиемия,
o усиление пигментации кожи и слизистых (компенсаторное увеличение количества АКТГ, обладающего небольшим меланотропным действием).
Вторичная недостаточность возникает при дефиците АКТГ или снижении его эффекта на надпочечники – возникают все симптомы гипокортицизма, кроме пигментации.
Гиперфункция
Первичная – синдром Кушинга проявляется:
o снижение толерантности к глюкозе – аномальная гипергликемия после сахарной нагрузки или после еды,
o гипергликемия из-за активации глюконеогенеза,
o ожирение лица и туловища (связано с повышенным влиянием инсулина при гиперглике-мии на жировую ткань) – буйволиный горбик, фартучный (лягушачий) живот, лунооб-разное лицо,
o глюкозурия,
o повышение катаболизма белков и повышение азота крови,
o остеопороз и усиление потерь кальция и фосфатов из костной ткани,
o снижение роста и деления клеток: лейкопения, иммунодефициты, истончение кожи, яз-венная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки,
o нарушение синтеза коллагена и гликозаминогликанов,
o гипертония благодаря минералокортикоидному действию и задержке NaCl.
Вторичная – болезнь Иценко-Кушинга (избыток АКТГ) проявляется схоже с первичной формой.
МИНЕРАЛОКОРТИКОИДЫ
Строение
Минералокортикоиды являются производными холестерола – стероидные гормоны. Основным гормоном у человека является аль-достерон.
Синтез
Осуществляется в клубочковой зоне коры надпочечников (схему синтеза см выше).
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 307
Регуляция синтеза и секреции
Активируют:
o ангиотензин II, выделяемый при активации ренин-ангиотензиновой системы,
o повышение концентрации ионов калия в крови (связано с деполяризацией мембран, от-крытием кальциевых каналов и активацией аденилатциклазы).
Механизм действия
Цитозольный.
Мишени и эффекты
Воздействует на слюнные железы, на дистальные канальцы и собирательные трубочки почек.
В почках усиливает реабсорбцию ионов натрия и потерю ионов калия посредством сле-дующих эффектов:
o увеличивает количество Na+,K+-АТФазы на базальной мембране эпителиальных клеток,
o стимулирует синтез митохондриальных белков и увеличение количества нарабатываемой в клетке энергии,
o стимулирует образование Na-каналов на апикальной мембране клеток почечного эпите-лия.
Патология
Гиперфункция
Синдром Конна (первичный альдостеронизм) – возникает при аденомах клубочковой зоны. Характеризуется триадой признаков: гипертензия, гипернатриемия, алкалоз.
Вторичный гиперальдостеронизм: гиперплазия и гиперфункция юкстагломерулярных клеток при избыточной секреции ренина и ангиотензина II.
АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ВЕЩЕСТВА КРОВИ
Составные компоненты крови
Кровь является жидкостью, состоящей из двух основных компонентов: плазма и клетки (форменные элементы). Форменные элементы представлены тремя видами клеток – эритро-циты, лейкоциты, тромбоциты. Плазма крови является раствором белков, электролитов, мо-носахаридов, азотсодержащих соединений, липидов. При свертывании крови часть белков, от-вечающих за этот процесс, теряет растворимость и вместе с форменными элементами образует сгусток. Жидкая часть крови, лишенная свертывающих белков, называется сыворотка.
БЕЛКИ КРОВИ
Плазма крови человека в норме содержит более 100 видов белков. Примерно 90% всего белка крови составляют альбумины, иммуноглобулины, липопротеины, фибриноген, трансферрин; другие белки присутствуют в плазме в небольших количествах.
Синтез белков плазмы крови осуществляют:
o печень полностью синтезирует фибриноген и альбумины крови, большую часть - и -глобулинов,
o клетки ретикулоэндотелиальной системы костного мозга и лимфатических узлов – часть -глобулинов и -глобулины.
Наиболее распространенным методом фракционирования белков крови является элек-трофорез. На ход электрофореза вли-яет подвижность разделяемых веществ, находящаяся в зависимости от следую-щих факторов:
o заряд (обычно зависит от pH), раз-меры и форма молекул веществ,
o электрическое поле: скорость миграции ионов вещества прямо пропорциональна силе тока (обу-словлена переносом ионов буфера и образца), напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению (зависит от типа и размеров носи-теля и ионной силы буфера),
o буфер: состав, концентрация, pH и ионная сила, зависящая от концен-трации ионов и их заряда,
o носитель: учитывается его гидро-фильность, адсорбция веществ на молекулах носителя.
Количество выделяемых фракций определяется условиями проведения электрофореза. При электрофорезе на бумаге и пленках ацетата целлюлозы выделяют 5 фракций (альбумины, 1-, 2-, - и -глобулины), в то время как в полиакриламидном геле – до 20 и более фракций.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 309
При использовании более совершенных методов (радиальная иммунодиффузия, иммуноэлек-трофорез и других) в составе глобулиновых фракций выявляются многочисленные индивиду-альные белки.
На вид протеинограммы оказывают влияние только те белки, концентрация которых до-статочно высока.
ТИПЫ ПРОТЕИНОГРАММ
В клинической практике для сыворотки выделяют 9 типов электрофореграмм (протеи-нограмм), соответствующих различным патологическим состояниям.
Тип протеино-граммы
Альбу-мины
Фракции глобулинов
Примеры заболеваний
1
2
Острые воспаления
-
Начальные стадии пневмоний, острые по-лиартриты, экссудативный туберкулез легких, острые инфекционные заболева-ния, сепсис, обширный инфаркт мио-карда
Хронические воспаления
-
-
Поздние стадии пневмоний, хронический туберкулез легких, хронический эндокар-дит, холецистит, цистит и пиелит
Нарушения по-чечного филь-тра
-
Генуинный, липоидный или амилоидный нефроз, нефрит, нефросклероз, токсикоз беременности, терминальные стадии ту-беркулеза легких, кахексии
Злокачествен-ные опухоли
Метастатические новообразования с раз-личной локализацией первичной опухоли
Гепатиты
-
-
Последствия токсического повреждения печени, гепатиты, гемолитические про-цессы, лейкемии, злокачественные ново-образования кроветворного и лимфатиче-ского аппарата, некоторые формы поли-артрита, дерматозы
Некроз печени
-
Цирроз печени, тяжелые формы индурат-ивного туберкулеза легких, некоторые формы хронического полиартрита и кол-лагенозов
Механические желтухи
-
Обтурационная желтуха, желтухи, вы-званные развитием рака желчевыводящих путей и головки поджелудочной железы
2-глобулино-вые плазмоци-томы
2-плазмоцитомы
-глобулиновые плазмоцитомы
1-плазмоцитомы, 1-плазмоклеточная лейкемия и макроглобулинемия Вальден-штрема
-глобулиновые плазмоцитомы
-Плазмоцитомы, макроглобулинемия и некоторые ретикулезы
Азотсодержащие вещества крови 310
БЕЛКИ ОСТРОЙ ФАЗЫ
Белки острой фазы – большая группа белков сыворотки крови (в основном -глобули-нов) с молекулярной массой от 12 кДа до 340 кДа и различными функциями, объединенных по общему признаку – быстрое и значительное увеличение концентрации при бактериаль-ной, вирусной, паразитарной инфекции, физической или химической травме, токсической или аутоиммунной реакции, злокачественных новообразованиях. Смысл данного увеличе-ния заключается в повышении резистентности клеток к окислению, в ограничении поврежде-ния тканей, в подавлении скорости размножения бактерий.
Синтез белков острой фазы осуществляется печенью, моноцитами, лимфоцитами, нейтрофилами. Их концентрация зависят от стадии заболевания и/или от масштабов повре-ждений. Синтез белков включается и регулируется рядом медиаторов, среди которых цито-кины, анафилотоксины и глюкокортикоиды
К белкам острой фазы относят С-реактивный белок, сывороточный амилоид А, гап-тоглобин, 2-макроглобулин, церулоплазмин, 1-гликопротеин, 1-антитрипсин, орозо-мукоид, компоненты комплемента С1-С4, С9. Трансферрин также относят к белкам острой фазы, но его концентрация при воспалениях снижается – негативный белок острой фазы.
Увеличение концентрации белков острой фазы в крови является хорошим индикатором не только явного, но и скрытого воспаления (например, атеросклероз).
ФУНКЦИИ БЕЛКОВ ПЛАЗМЫ КРОВИ
Многообразие белков крови приводит к тому, что они обладают многочисленными функ-циями:
1. Поддерживают постоянство коллоидно-осмотического давления крови.
2. Участвуют в регуляции кислотно-основного состояния.
3. Удерживают в связанном состоянии и транспортируют катионы кальция, магния, железа, меди и другие ионы, препятствуя их потере с мочой.
4. Связывают и транспортируют углеводы, липиды, гормоны, лекарства, витамины, токсичные вещества.
5. Определяют вязкость крови и сохраняют устойчивость эритроцитов и лейкоцитов в крово-токе, обеспечивают нормальный кровоток в капиллярах (реологические свойства крови).
6. Специализированные белки участвуют в свертывании крови (фибриноген, протромбин, ан-тигемофильный глобулин и др.).
7. Обеспечивают иммунную защиту организма (иммуноглобулины, факторы системы компле-мента, трансферрин и пропердин).
8. Являются резервом аминокислот.
ОСОБЕННОСТИ КОЛИЧЕСТВА БЕЛКОВЫХ ФРАКЦИЙ У ДЕТЕЙ
У новорожденных содержание общего белка в сыворотке крови значительно ниже, чем у взрослых, и становится минимальным к концу первого месяца жизни (48 г/л). Ко второму-третьему годам жизни общий белок повышается до уровня взрослых.
В течение первых месяцев жизни концентрация глобулиновых фракций низка, что при-водит к относительной гиперальбуминемии до 66-76%. Между вторым и двенадцатым меся-цами возникает временное превышение концентрацией 2-глобулинов взрослого уровня.
Количество фибриногена при рождении гораздо ниже, чем у взрослых (около 2,0 г/л), но к концу первого месяца достигает обычной нормы (4,0 г/л).
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 311
ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ БЕЛКИ ПЛАЗМЫ КРОВИ
АЛЬБУМИН
Глобулярный белок плазмы крови, синтезируется исключительно в печени. Молекуляр-ная масса 69 кДа. существует микрогетерогенность молекул альбумина, что связано с количе-ством и качеством агрегированных с альбумином молекул.
Значение альбумина в крови:
1. Поддержание коллоидно-осмотического (онкотического) давления крови (благодаря высо-кой гидрофильности).
2. Транспортная функция – благодаря большому количеству заряженных и гидрофобных участков альбумин переносит
o пигменты – билирубин, уробилин (одна молекула альбумина может одновременно свя-зать 25-50 молекул билирубина),
o длинноцепочечные жирные кислоты – основная физиологическая функция сывороточ-ного альбумина (6-8 молекул на одну молекулу альбумина),
o катионы (например, Ca2+ и Mg2+), благодаря большому количеству глутамата, другие ме-таллы (ртуть), также способен связать анионы (Cl–),
o соли желчных кислот,
o витамины,
o гормоны (альдостерон, прогестерон, гидрокортизон),
o органические красители,
o лекарственные вещества (дигоксин, барбитураты, пенициллин, ацетилсалициловая кис-лота, сердечные гликозиды).
Гиперальбуминемия наблюдается при тех же состояниях, что и гиперпротеинемия.
Снижение концентрации альбумина наступает при больших потерях белка, связанных с кровотечением, при нарушении синтеза альбумина или увеличении скорости его распада.
1-ГЛОБУЛИНЫ
Во фракции 1-глобулинов наиболее исследованными являются 1-антитрипсин, 1-ли-попротеин и 1-гликопротеин, 1-фетопротеин, 1-антихимотрипсин.
1. 1-антитрипсин (1-протеиназный ингибитор), гликопротеин, образуется в печени, белок острой фазы, является ингибитором протеиназ (трипсина, химотрипсина, калликреина, плазмина, эластазы лейкоцитов) и обусловливает 92-94% от общей антипротеолитической функции крови. Концентрация возрастает при воспалительных процессах, злокачественных образованиях, при действии гормонов (беременность, стероидная терапия), системной крас-ной волчанке. Снижается количество белка при эмфиземе легких, хроническом аутоиммун-ном гепатите (ювенильный цирроз).
2. 1-антихимотрипсин (ранее 1-гликопротеин Шульца) является одним из реагирую-щих первыми белков острой фазы (уровень в сыворотке может удваиваться в течение несколь-ких часов), представляет собой слабый специфический ингибитор химотрипсина, вместе с тем отмечена его активность по отношению и к другим протеазам. Увеличение концентрации белка обусловлено острофазовыми реакциями: воспаление, травма после хирургической опе-рации, инфаркт миокарда, бактериальные инфекции.
3. Орозомукоид (кислый 1-гликопротеин) является белком острой фазы и синтезиру-ется в печени. Функцией является связывание стероидов (прогестерон, тестостерон) и ле-карств (пропранолол и лидокаин). Повышение уровня белка в крови отмечается при лихо-радке, острых и хронических воспалительных процессах, ревматоидном артрите, злокаче-ственных опухолях, травмах, инфаркте миокарда, беременности. Вместе с гаптоглобином яв-ляется хорошим индикатором гемолиза. Снижение уровня белка выявляется при нефротиче-ском синдроме без воспаления.
Азотсодержащие вещества крови 312
4. 1-фетопротеин – синтезируется в печени и желудочно-кишечном тракте плода. Функцией белка является поддержание осмотического давления крови, связывание материн-ских эстрогенов и предохранение плода от ее иммунной системы, участие в развитии печени. Диагностическое значение имеет, в первую очередь, для оценки правильного развития плода и срока беременности: увеличивается при многоплодной беременности, пороках развития и смерти плода. У взрослых количество белка нарастает при раке печени, также при онкологии яичек и, реже, других органов.
5. -липопротеины (см "Липиды", "Транспорт липидов крови").
2-ГЛОБУЛИНЫ
Во фракции 2-глобулинов наиболее важными для диагностики являются 2-макрогло-булин, гаптоглобин, церулоплазмин. Также к этой фракции относятся ангиотензиноген, 2-гликопротеин связанный с беременностью, 2-HS-гликопротеин, 2-антиплазмин, белок A связанный с беременностью.
1. 2-макроглобулин – цинксодержащий белок острой фазы, содержит 4 идентичных субъединицы и включает углеводный компонент. Белок синтезируется в печени и в иммуно-компетентных клетках. Белок контролирует развитие инфекций и воспалительных процессов, является ингибитором протеиназ (как свертывающей системы крови, так и других) – плазмина, пепсина, трипсина, химотрипсина, эндопептидаз, катепсина D, тромбина, калликреина.
Повышение его количества выявляется при циррозе печени, остром и хроническом ге-патите, эндокринных заболеваниях (сахарный диабет, микседема), при беременности и лече-нии эстрогенами, нефротическом синдроме. Снижение – при ревматическом полиартрите, по-тере белка или недостаточности его в питании, диссеминированном свертывании крови, фиб-ринолитической терапии.
2. Гаптоглобин – типичный представитель белков острой фазы, синтезируется в печени и в низких концентрациях присутствует во многих жидкостях организма – ликворе, лимфе, синовиальной жидкости, желчи.
Белок обладает следующими функциями:
o связывает - и -димеры гемоглобина плазмы и предохраняет организм от потери железа, данный комплекс разрушается в клетках РЭС и печени,
o выполняет неспецифическую защитную функцию, комплексируясь с белковыми и небел-ковыми веществами, появляющимися при распаде клеток,
o участвует в транспорте витамина В12.
Концентрация белка неспецифически повышается в ответ на повреждение ткани, вос-паление, опухолевый процесс (особенно с метастазами). Высокие показатели наблюдаются при сахарном диабете, пиелонефрите, ожогах, острых и хронических воспалительных состоя-ниях, некрозе тканей, инфаркте миокарда, активных аутоиммунных заболеваниях, механиче-ской желтухе. Снижение количества белка отмечено при поражении паренхимы печени, ге-молизе и гемолитических анемиях, беременности, при использовании эстрогенов. При нефро-тическом синдроме уровень белка может изменяться в любую сторону в зависимости от гено-типа пациента, т.е. от преобладания тех или иных изоформ.
3. Церулоплазмин (ферроксидаза), содержит 8 атомов меди. Это белок острой фазы, со-держит 90% всей меди плазмы и способствует насыщению железом апотрансферрина, участ-вует в обмене биогенных аминов (адреналина, норадреналина, серотонина) и аскорбиновой кислоты, регулирует уровень симпатических медиаторов мозга, как сывороточный антиокси-дант ликвидирует супероксидные радикалы кислорода, восстанавливает О2 до воды и предот-вращает окисление ненасыщенных жирных кислот. Отчасти церулоплазмин транспортирует ионы меди из печени в другие органы.
Повышенные концентрации выявляются при хронических воспалительных процессах, холестазе, ревматоидном артрите, системной красной волчанке, гепатите, циррозе печени, ин-фаркте миокарда, острых инфекциях, злокачественных новообразованиях с метастазами, при
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 313
беременности и использовании эстрогенов. Уменьшение показателя выявлено при снижении синтеза фермента (болезнь Вильсона-Коновалова), повышенной потере (заболевания ЖКТ, нефротический синдром), уменьшении абсорбции меди в кишечнике (нарушения всасывания, недостаточность питания).
-ГЛОБУЛИНЫ
Фракция -глобулинов содержит трансферрин, гемопексин, компоненты комплемента. В свежей сыворотке эта фракция часто разделена, меньшая 2-фракция в основном обуслов-лена -липопротеинами.
1. Трансферрин – гликопротеин плазмы, имеет два центра связывания железа, присо-единяет только трехвалентное железо вместе с анионом гидрокарбоната, синтезируется в пе-чени и РЭС. Функции белка заключаются в связывании железа, превращении его в деионизи-рованную форму и транспорте между тканями, в основном, между печенью и костным мозгом. Накопление трансферрина вызывают эстрогены и дефицит железа. Снижается показатель при хроническом воспалении, злокачественных опухолях.
2. Гемопексин – гемсвязывающий гликопротеин, синтезируется в гепатоцитах, также связывает порфирин, гемсодержащие хромопротеины (гемоглобин, миоглобин, каталазу), до-ставляя их в печень, где происходит распад гема и связывание железа с ферритином. Уровень белка повышается при беременности, опухолях (особенно меланоме), сахарном диабете, мы-шечной дистрофии. Снижение выявляется при гемолизе (более чувствительный тест по срав-нению с гаптоглобином, так как гемопексин не является белком острой фазы), гемолитических анемиях, заболеваниях печени, недостаточности белка в пище.
3. Стероид-связывающий -глобулин синтезируется в печени, транспортирует поло-вые гормоны тестостерон (около 60% циркулирующего гормона), эстрадиол, другие 17--гид-роксистероиды, что регулирует свободную (активную) фракцию гормонов. Синтез белка сти-мулируется эстрадиолом, подавляется андрогенами. Увеличение выявляется при беременно-сти, приеме гормональных контрацептивов, гиперэстрогенемии. Уменьшение концентрации белка отмечено при заболеваниях печени и нефротическом синдроме, гормональных наруше-ниях – гиперандрогенемии, инсулинорезистентности, акромегалии, синдроме Кушинга, гипо-тиреозе и гиперпролактинемии.
4. - и пре-липопротеины (см "Липопротеины сыворотки крови").
ФРАКЦИЯ -ГЛОБУЛИНОВ
Содержит иммуноглобулины G, A, M, Е, D.
Иммуноглобулины G – основные иммуноглобулины сыворотки, осуществляют гумо-ральную защиту организма от бактерий и вирусов и их растворимых токсинов (антигенов). Активно транспортируются через плаценту. У детей должная концентрация достигается только к 1,5-2 годам.
Иммуноглобулины А осуществляют местный иммунитет на слизистых поверхностях дыхательных путей (носовой и бронхиальный секрет) и кишечного тракта. Они присутствуют в женском молозиве, слезе, слюне. После рождения количество секреторного IgA (на слизи-стых) достигает уровня взрослых уже на 2-3 неделе жизни, сывороточного IgA – только к 14-15 годам.
Иммуноглобулины М появляются в процессе формирования иммунного ответа, являясь первичными антителами. Вскоре после рождения их уровень нарастает, достигает максимума к 9 месяцу жизни, после чего снижается и восстанавливается только к 20-30 годам.
Иммуноглобулины Е вырабатываются плазматическими клетками и участвуют в аллер-гических реакциях организма.
Иммуноглобулины D не имеют четкой сформированной функции. Предполагается, что они регулируют активность других иммуноглобулинов и участвуют в антиген-зависимой диф-ференцировке лимфоцитов.
Азотсодержащие вещества крови 314
ФЕРМЕНТЫ КРОВИ
Изменения в специфических ферментативных процессах могут быть причиной или след-ствием различных патологических состояний. Большинство ферментативных процессов лока-лизованы внутри клеток, но определение активности ферментов внеклеточной среды (сыво-ротка, плазма, слюна, моча) может иметь диагностическое значение.
ЭНЗИМОДИАГНОСТИКА
Энзимодиагностика – это исследование активности ферментов плазмы крови, мочи, слюны с целью диагностики тех или иных заболеваний.
ПРИЧИНЫ ИЗМЕНЕНИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ В КРОВИ
Степень изменения активности ферментов клеточного метаболизма в сыворотке крови зависит от массы пораженного органа, распределения ферментов между тканями, локализации ферментов во внутриклеточных органеллах. При воспалительных процессах из клетки в первую очередь выходят цитоплазматические ферменты, при прогрессировании заболевания наблюдается некроз клеток и происходит разрушение органелл.
Например, аланинаминотрансфераза (АлАТ) локализована в цитоплазме, а аспартатами-нотрансфераза (АсАТ) и в цитоплазме, и в митохондриях, глутаматдегидрогеназа (ГлуДГ) – митохондриальный фермент.
Повышение активности в сыворотке крови может быть результатом ускорения процес-сов:
o синтеза – щелочная фосфатаза при рахите, гепатите,
o некроза клеток – АлАТ, АсАТ, лактатдегидрогеназа (ЛДГ), креатинкиназа (КК) при ин-фаркте миокарда, кислая фосфатаза при аденоме простаты, липаза, амилаза при панкреа-титах,
o понижения выведения – щелочная фосфатаза при желчнокаменной болезни,
o повышения проницаемости клеточных мембран – АлАТ, АсАТ, ЛДГ при гепатите.
Снижение активности вызывается:
o уменьшением числа клеток, секретирующих фермент (холинэстераза при циррозе пе-чени),
o недостаточностью синтеза,
o увеличением выведения фермента,
o торможением активности в результате действия протеиназ.
В ряде случаев определенное диагностическое значение имеет установление взаимоот-ношений между изменением активности отдельных ферментов и получение своеобразных ферментных спектров крови. При этом удается установить достоверные ферментные симп-томы отдельных заболеваний.
Например,
o острые гепатиты характеризуются резким увеличением активности АсАТ, АлАТ и аль-долазы,
o инфаркт миокарда сопровождается увеличением активности ЛДГ, КК, АсАТ,
o при механических желтухах характерным является нарастание содержания щелочной фосфатазы без большого увеличения активности аминотрансфераз и альдолазы.
ГРУППЫ ФЕРМЕНТОВ СЫВОРОТКИ КРОВИ
1. Ферменты, поступающие в плазму, и выполняющие в ней специфические функции – ис-тинно плазменные ферменты. В плазме их активность много больше, чем в органах (це-рулоплазмин, псевдохолинэстераза, липопротеинлипаза, белковые факторы систем свер-
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 315
тывания крови, фибринолиза и кининогенеза, ренин). Снижение активности этих фермен-тов в плазме будет свидетельствовать о снижении синтетической способности клеток или о накоплении ингибиторов в плазме крови.
2. Ферменты, не характерные для плазмы – органоспецифичные. Выделяют две группы этих ферментов:
А. Ферменты клеточного метаболизма – их активность резко повышается в плазме крови в случае нарушения проницаемости клеточных мембран или их альтерации:
Например,
o при изменениях со стороны сердечной мышцы происходит повышение активности сер-дечного изофермента креатинкиназы (КК-MB), изоферментов лактатдегидрогеназы 1 и 2 (ЛДГ-1 и ЛДГ-2), аспартатаминотрансферазы,
o нарушения скелетных мышц – мышечного изофермента КК (КК-MM), алкогольдегидро-геназы,
o костной ткани – щелочной фосфатазы (ЩФ), альдолазы,
o поджелудочной железы – -амилазы и липазы,
o предстательной железы – кислой фосфатазы,
o гепатоцитов – аланинаминотрансферазы, глутаматдегидрогеназы, холинэстеразы, сорби-толдегидрогеназы,
o желчевыводящих путей – щелочной фосфатазы, -глутамилтранспептидазы (-ГТП).
Б. Ферменты, секретируемые в выводные протоки желчных путей, панкреатические и слюнные протоки. В норме активность таких ферментов в плазме намного ниже, чем в клетках и имеет постоянное значение (-амилаза, липаза поджелудочной железы). Изучение активно-сти этих ферментов позволяет судить о функционировании соответствующего органа.
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ
Активность ферментов выражают в каталах (1 катал = 1 моль/с), в единицах активно-сти (1 Е = мкмоль/мин или 1 U, 1 unit – стандартная международная единица фермента), в производных от других единиц измерения (моль/сл, мкмоль/сл, мкмоль/чмл, мг/чмл, в мккат/л).
ОСТАТОЧНЫЙ АЗОТ КРОВИ
Низкомолекулярные азотистые вещества в крови представлены, главным образом, про-дуктами обмена белков и нуклеиновых кислот. Эти вещества остаются в надосадочной жид-кости или фильтрате после осаждения крупномолекулярных белков и составляют остаточный азот крови.
Увеличение остаточного азота (азотемия) по своему характеру может быть абсолютным, связанным с действи-тельным накоплением азотистых компонентов в крови, и от-носительным, связанным с дегидратацией. В свою очередь, абсолютная азотемия может быть ретенционная (почечного происхождения) и продукционная. Ретенционная возни-кает в результате задержки выведения и различается на азо-темии почечного происхождения (заболевания клубочков – нефриты, туберкулез почек, нефросклероз и т.д.) и внепо-чечного происхождения. Внепочечные в свою очередь под-разделяются на надпочечные (результат нарушений гемо-динамики и падения фильтрационного давления при сердечно-сосудистой недостаточности, снижении артериального давления) и подпочечные (при гипертрофии или аденоме простаты, почечнокаменной болезни). Продукционная азотемия выявляется при всех состояниях, свя-занных с увеличением распада белка, от ретенционной ее отличает повышение содержания
Азотсодержащие вещества крови 316
аминокислот в крови, а также одновременное накопление азотистых компонентов в крови и моче.
ФРАКЦИИ ОСТАТОЧНОГО АЗОТА
В некоторых лабораториях до сих пор применяется определение общего содержания остаточного азота, но наибольшее диагностическое значение имеет определение концентра-ции отдельных его компонентов. Это мочевина (около 50%), аминокислоты (около 25%), эр-готионеин (около 8%), креатин и креатинин (до 7,5%), пептиды, нуклеотиды и азотистые ос-нования (около 5%), мочевая кислота (до 4%), аммиак и индикан (0,5%). Так как показатель включает различные низкомолекулярные азотсодержащие вещества, более информативным является определение отдельных фракций остаточного азота.
ОБМЕН ЖЕЛЕЗА
Железо в организме находится в составе:
o примерно 25% всего железа в запасной форме (в комплексе с белком ферритином) в се-лезенке, костном мозге, печени,
o в составе гемоглобина – около 2/3 всего количества,
o в миоглобине и других внутриклеточных гемопротеинах (каталаза, цитохромы и др.),
o только 0,1% железа находится в плазме крови.
К железосодержащим белкам относятся:
Гемопротеины – гемоглобин, миоглобин, цитохромы, цитохромоксидаза, гомогентиза-токсидаза, пероксидаза, миелопероксидаза, каталаза, тиреопероксидаза.
Железофлавопротеины – цитохром-с-редуктаза, сукцинатдегидрогеназа, НАДФ-дегидрогеназа, ацил-SКоА-дегидрогеназа, ксантиноксидаза, пролилгидроксилаза и др.
Железосвязывающие белки – трансферрин, ферритин, гемосидерин, мобил-феррин, лактоферрин и др.
СУТОЧНАЯ ПОТРЕБНОСТЬ
С пищей в сутки должно поступать для мужчин 10 мг, для женщин детородного возраста в связи с регулярной кровопотерей – 20 мг, у женщин при беременности – 40-50 мг и при лактации – 30-40 мг.
ПИЩЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ
Растительная пища (в 100 г)
Животная пища (в 100 г)
Морская капуста
16 мг
Печень
11-15 мг
Какао
12,5 мг
Мясо
2-4 мг
Шиповник
12 мг
Яйца
3 мг
Отрубной хлеб
11 мг
Гречка
8 мг
Свежие белые грибы
5 мг
МЕТАБОЛИЗМ ЖЕЛЕЗА
ВСАСЫВАНИЕ
При попадании в желудок под действием HCl желудочного сока железо высвобождается из белков пищи.
Всасывание происходит в проксимальном отделе тонкого кишечника в количестве около 1,0-2,0 мг/день (10-15% пищевого железа). При этом железо должно быть в виде двухвалент-ного иона, в то же время с пищей поступает преимущественно трехвалентное железо. Только железо мясных продуктов находится в гемовой форме (Fe2+), и поэтому хорошо всасывается. Железо мясных продуктов усваивается на 20-30%, из яиц и рыбы – на 10-15%, из растительных продуктов – на 1-5%.
Существуют три способа перемещения железа из просвета кишечника в энтероциты:
1. Негемовое железо (III) захватывается интегрином, восстанавливается до Fe (II) парафер-ритином, и при помощи мобилферрина перемещается в клетке, активность и роль этого пути низкая.
Обмен железа 318
2. Негемовое железо (III) восстанавливается до Fe (II) при помощи аскорбиновой кислоты или при участии ферроредуктазы (DcytB, дуоденальный цитохром B) и далее переносится внутрь белком DMT-1 (divalent metal ion transporter-1).
3. Гемовое железо связывается с белком НСР1 (heme carrier protein 1), в цитозоле высвобож-дается из гема при действии гемоксигеназы и далее переносится по клетке.
После всасывания в энтероците формируется пул внутриклеточного железа, которое может
o остаться в клетке в составе ферритина (Fe3+),
o выходить из клетки при помощи ферропортина, окисляться феррооксидазой (гефести-ном) и связываться с трансферрином (Fe3+).
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 319
ТРАНСПОРТ ЖЕЛЕЗА
После всасывания железо либо откладывается в клетках кишечника в составе ферри-тина, либо попадает в кровоток и в комплексе с трансферрином переносится в клетки печени, костного мозга или других тканей. Нагруженный железом трансферрин (холотрансферрин) взаимодействует со своим специфическим мембранным рецептором. Трансферриновый ре-цептор на низком уровне экспрессируется во всех типах клеток, на высоком уровне – в активно делящихся клетках.
После образования тройного комплекса (железо, апотрансферрин, рецептор) он переме-щается в цитоплазму эндоцитозом и оказывается внутри эндосом. На мембране эндосомы при-сутствует H+-АТФаза, создающая кислый рН внутри нее. В результате железо диссоциирует из комплекса и составляет свободный пул. Далее оно может доставляться мобилферрином к месту использования, например, встраиваться в порфириновое кольцо гема, включаться в же-лезопротеины или депонироваться с ферритином.
Эндосома, содержащая апотрансферрин-рецепторный комплекс, возвращается обратно к плазматической мембране. При нейтральных рН апотрансферрин имеет низкое сродство к своему рецептору и высвобождается в кровоток, что позволяет другой молекуле холотранс-феррина связаться с рецептором.
Вне связи с белками железо очень токсично, так как запускает свободно-радикальные реакции с образованием активных форм кислорода.
Запасы железа в организме находятся в основном в гепатоцитах и макрофагах. Большая часть железа, необходимого организму, непрерывно поступает из макрофагов при его рецир-куляции после утилизации стареющих эритроцитов или других клеток.
РЕГУЛЯЦИЯ ОБМЕНА ЖЕЛЕЗА
Основными факторами, влияющими на обмен железа, являются потребности гемопоэза, пищевой фактор и уровень запаса в тканях. Количество железа в организме поддерживается на одном уровне тремя основными путями:
1. Регуляция всасывания в кишечнике.
2. Поддержание рециркуляции железа эритроцитов.
Обмен железа 320
3. Система IRE/IRP, позволяющая каждой клетке регулировать количество потребляемого же-леза.
Функции гепсидина
Среди белков-регуляторов обмена железа к настоящему времени наиболее хорошо изу-чен гепсидин, олигопептид из 25 аминокислот. Гепсидин синтезируется в печени при доста-точном количестве железа в гепатоците или под действием цитокинов.
Действие гепсидина заключается в снижении активности белка ферропортина, отвеча-ющего за выход ионов железа из клетки в кровь:
1. В энтероците действие гепсидина приводит к тому, что большая часть железа остается в клетке, запасается в ферритине и теряется при слущивании кишечного эпителия.
2. При действии гепсидина на макрофаг происходит задержка железа внутри макрофага.
Являясь белком острой фазы, гепсидин повышается при любых воспалительных процес-сах, протекающих в организме, и при бактериальных инфекциях. Повышение его продукции происходит под влиянием провоспалительных цитокинов, наиболее эффективным из которых является интерлейкин-6. Образующийся избыточный гепсидин, уровень которого может по-вышаться в сотни раз, связывается с ферропортином и вызывает его лизосомальную деграда-цию. Это блокирует выход железа из макрофагов и энтероцитов, вызывая гипоферремию. Не-достаток железа в крови снижает его использование для эритропоэза – развивается "анемия воспаления".
Система IRE/IRP
Система IRE/IRP (англ. iron-responsive–element – железочувствительный элемент; iron-responsive element-binding proteins – белок, связывающий железочувствительный эле-мент) обеспечивает регуляцию:
o синтеза рецепторов к трансферрину,
o синтеза ферритина.
Молекулы IRP способны связываться с участком IRE на матричных РНК двух белков – рецептора трансферрина и ферритина. При сниженной концентрации железа в клетке белок IRP активный, при высоком содержании – образуется комплекс IRP+Fe и белок инактивиру-ется.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 321
Присоединение активного IRP к 3'-концу мРНК рецептора трансферрина (при низком уровне железа) защищает мРНК от разрушения 3'-РНКазами и, как следствие, она существует дольше, образуется больше рецепторов, связывается больше холотрансферрина и повышается поток железа в клетки.
Присоединение активного IRP к 5'-концу мРНК ферритина (при низком уровне железа) не позволяет ей участвовать в процессе трансляции и синтезе новых молекул ферритина. Ко-гда концентрация железа в клетке возрастает, оно присоединяется к IRP и снижает его срод-ство к матричной РНК. Конечным результатом является увеличение синтеза молекул ферри-тина, депонирующего железо.
ВЫВЕДЕНИЕ
В сутки обычные потери железа составляют 1-2 мг и происходят несколькими путями:
o с желчью
o вместе со слущивающимся эпителием ЖКТ,
o десквамация кожи,
o у женщин детородного возраста – от 14 до 140 мг/месяц,
o выпадение волос, срезание ногтей.
НАРУШЕНИЕ ОБМЕНА ЖЕЛЕЗА
Избыток железа
Существует аутосомно-рецессивное заболевание гемохроматоз, связанное с наруше-нием гепсидиновой регуляции и избыточным всасыванием железа в кишечнике. В результате железо накапливается в органах и тканях: печени, поджелудочной железе, миокарде, селе-зенке, коже, эндокринных железах и др. Общее содержание железа в организме достигает 20-60 г при норме 2-4 г. Постепенно развиваются цирроз печени, кардиомиопатии, сахарный диабет 1 типа, артрит.
Обмен железа 322
Железодефицит
При недостаточности железа в организме мобилизация резервов происходит в следую-щем порядке:
o железо из депо (ферритин),
o затем в клетках (кроме эритроидных) снижается количество гемопротеинов до жизнеспо-собного минимума,
o далее истощаются запасы сывороточного железа (холотрансферрин),
o в последнюю очередь страдает синтез гемоглобина.
Таким образом, железодефицитная анемия является проявлением крайнего дефицита железа, и нормальная концентрация гемоглобина крови не должна быть критерием обеспе-ченности организма железом.
Причины
Причинами железодефицита являются недостаток его в пище, заболевания ЖКТ со сни-жением всасывания (гастриты), потери железа с кровью при менструальных, кишечных или иных кровотечениях. У новорожденных и грудных детей недостаток железа связан в первую очередь с недополучением его при внутриутробном развитии, и также в связи с ускоренным ростом в первый год жизни (физиологическая анемия).
Симптомы
Недостаточный синтез цитохромов, железосодержащих белков и нарушение доставки кислорода к тканям (при снижении содержания гемоглобина) вызывает ряд специфических и неспецифических симптомов:
o ухудшение внимания и памяти у детей и взрослых,
o уплощение, неровность и ломкость ногтей, появление исчерченности, белых пятен и по-лосок на ногтях,
o выпадающий и секущийся волос,
o поражение эпителия, проявляющееся в сухости и трещинах кожи рук и ног,
o неинфекционный ларингофаринготрахеит (гиперемия и охриплость), что дезориентирует врача,
o мышечная слабость:
- общая утомляемость,
- недостаточное сокращение сфинктеров мочевого пузыря, при этом характерным при-знаком является выделение нескольких капель мочи при резком кашле, смехе, чихании,
- недостаточное сокращение кардиального сфинктера пищевода, что позволяет забрасы-ваться соляной кислоте в пищевод и вызывать изжогу,
o атрофический гастрит – может быть как причиной, так и следствием железодефицита, половина больных гастритом имеет недостаток железа,
o обострение ИБС и других сердечно-сосудистых заболеваний, так как усиливает гипо-энергетическое состояние клеток (снижение содержания цитохромов в миокардиоцитах),
o извращение обонятельных предпочтений – нравится запах краски, бензина, выхлопных газов, резины, мочи,
o извращение вкусовых предпочтений – больные едят мел, штукатурку, уголь, песок, мяс-ной фарш, лед.
ГЕМОПРОТЕИНЫ. ОБМЕН ГЕМА
Гемопротеины являются подвидом хромопротеинов и подразделяются на нефермента-тивные белки и ферменты:
o гемоглобин (82% общего количества гема организма) локализован в эритроцитах и клет-ках костного мозга,
o миоглобин скелетных мышц и миокарда (17%),
o ферменты – ферменты дыхательной цепи, P450, цитохромоксидаза, гомогентизатокси-даза, пероксидаза, миелопероксидаза, каталаза, тиреопероксидаза и т.д. – менее 1%.
СТРОЕНИЕ И СИНТЕЗ ГЕМА
Гем – структура, включающая в себя порфириновое кольцо (состоящее из 4 пиррольных колец) и иона Fe2+. Же-лезо связывается с порфириновым кольцом двумя коорди-национными и двумя ковалентными связями.
Синтез гема в основном идет в предшественниках эритроцитов, в клетках печени, почек, слизистой кишеч-ника, в меньшем количестве в остальных тканях.
Первая реакция синтеза с участием -аминолевули-нат-синтазы ( - греч. "дельта") происходит в митохон-дриях.
Гемопротеины. Обмен гема 324
Следующая реакция при участии аминолевулинатдегидратазы протекает в цитозоле.
После синтеза порфобилиногена четыре его молекулы конденсируются в гидроксиме-тилбилан, который далее превращается в уропорфириноген типа I и уропорфириноген типа III. В синтезе обоих видов порфиринов принимает участие уропорфириноген I–синтаза, в образовании уропорфириногена III дополнительно принимает участие фермент уропорфири-ноген III–косинтаза.
Далее уропорфириногены превращаются в соответствующие копропорфириногены. Ко-пропорфириноген III возврашается в митохондрии и окисляется в протопорфириноген IX и далее в протопорфирин IX. Последний после связывания с железом образует гем, реакцию катализирует феррохелатаза (гемсинтаза).
РЕГУЛЯЦИЯ СИНТЕЗА ГЕМА
Скорость синтеза глобиновых цепей зависит от наличия гема, он ускоряет биосинтез "своих" белков.
Основным регуляторным ферментом синтеза гема является аминолевулинатсинтаза. Гем после взаимодействия с молекулой белка-репрессора формирует активный репрессорный комплекс, связывается с ДНК и подавляет транскрипцию, мРНК для фермента не образуется и синтез фермента прекращается. Также имеется отрицательный аллостерический эффект гема на фермент.
С другой стороны, достаточное количество ионов железа оказывает положительный эф-фект при синтезе молекулы аминолевулинатсинтазы. В клетке имеется особый железосвя-зывающий белок, который в отсутствии ионов железа обладает сродством к мРНК фермента и блокирует ее трансляцию в рибосоме, т.е. синтез белковой цепи. При наличии ионов железа они связываются с этим железосвязывающим белком, образуя с ним неактивный комплекс и это инициирует синтез фермента.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 325
Положительным модулятором этого же фермента служит внутриклеточная гипоксия, которая в эритропоэтических тканях индуцирует синтез фермента.
В печени повышению активности аминолевулинатсинтазы способствуют соединения, усиливающие работу микросомальной системы окисления (жирорастворимые токсины, стеро-иды) – при этом возрастает потребление гема для образования цитохрома Р450, что снижает внутриклеточную концентрацию свободного гема. В результате происходит дерепрессия син-теза фермента.
МИОГЛОБИН
Миоглобин является одиночной полипептид-ной цепью, состоит из 153 аминокислот с молекуляр-ной массой 17 кДа и по структуре сходен с β-цепью гемоглобина. Белок локализован в мышечной ткани. Миоглобин обладает более высоким сродством к кислороду по сравнению с гемоглобином. Это свой-ство обусловливает функцию миоглобина – депони-рование кислорода в мышечной клетке и использова-ние его только при значительном уменьшении парци-ального давления О2 в мышце (до 1-2 мм рт.ст).
Кривые насыщения кислородом показывают от-личия миоглобина и гемоглобина:
o одно и то же 50%-е насыщение достигается при совершенно разных концентрациях кислорода – около 26 мм рт.ст. для гемоглобина и 5 мм рт.ст. для миоглобина,
o при парциальном давлении кислорода от 26 до 40 мм рт.ст. (в тканях) гемоглобин насыщен на 50-80%, тогда как миоглобин – почти на 100%.
Гемопротеины. Обмен гема 326
Таким образом, миоглобин остается оксигенированным до того момента, пока количе-ство кислорода в клетке не снизится до предельных величин. Только после этого начинается отдача кислорода для реакций метаболизма.
ГЕМОГЛОБИН
СТРОЕНИЕ ГЕМОГЛОБИНА
Гемоглобин представляет собой белок, включающий 4 гемсодержащие белковые субъ-единицы. Протомеры соединяются друг с другом благодаря образованию гидрофобных, ион-ных, водородных связей. При этом они взаимодействуют не произвольно, а определенным участком – контактной поверхностью. Этот процесс высокоспецифичен, контакт происходит одновременно в десятках точек по принципу комплементарности. Взаимодействие осу-ществляют разноименно заряженные группы, гидрофобные участки, неровности на поверхно-сти белка.
Белковые субъединицы в нормальном гемо-глобине могут быть представлены различными ти-пами полипептидных цепей: α ("альфа"), β ("бета"), ε ("'эпсилон"), ("гамма"), ("дельта"), ("кси"). В со-став молекулы гемоглобина входят по две цепи двух разных типов.
Гем соединяется с белковой субъединицей, во-первых, через остаток гистидина координационной связью железа, во-вторых, через гидрофобные связи пиррольных колец и гидрофобных аминокислот. Гем располагается как бы "в кармане" своей цепи и формируется гемсодержащий протомер.
НОРМАЛЬНЫЕ И ПАТОЛОГИЧЕСКИЕ ФОРМЫ ГЕМОГЛОБИНА
Нормальные формы
Существует несколько нормальных вариантов гемоглобина:
o HbР – примитивный гемоглобин, содержит 2- и 2-цепи, встречается в эмбрионе между 7-12 неделями жизни,
o HbF – фетальный гемоглобин, содержит 2α и 2-цепи, появляется через 12 недель внут-риутробного развития и является основным после 3 месяцев,
o HbA – гемоглобин взрослых, доля составляет 98%, содержит 2α и 2β-цепи, у плода появ-ляется через 3 месяца жизни и к рождению составляет 80% всего гемоглобина,
o HbA2 – гемоглобин взрослых, доля составляет 2%, содержит 2α и 2-цепи,
o HbO2 – оксигемоглобин, образуется при связывании кислорода в легких, в легочных ве-нах его 94-98% от всего количества гемоглобина,
o HbCO2 – карбогемоглобин, образуется при связывании углекислого газа в тканях, в ве-нозной крови составляет 15-20% от всего количества гемоглобина.
Патологические формы
HbS – гемоглобин серповидно-клеточной анемии. При этом нарушении в ДНК в резуль-тате точковой мутации триплет ЦТТ заменен на триплет ЦАТ, что влечет за собой включение в 6-м положении β-цепи вместо глутамата аминокислоты валина. Изменение свойств β-цепи влечет изменение свойств всей молекулы и формирование на поверхности гемоглобина "лип-кого" участка. При дезоксигенации гемоглобина участок "раскрывается" и связывает одну мо-
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 327
лекулу гемоглобина S с другими подобными. Результатом является полимеризация гемогло-биновых молекул и образование крупных белковых тяжей, вызывающих деформацию эритро-цита и при прохождении капилляров гемолиз.
MetHb – метгемоглобин, форма гемоглобина, включающая трехвалентный ион железа вместо двухвалентного. Такая форма образуется спонтанно, но обычно ферментативных мощностей клетки хватает на его восстановление. При использовании сульфаниламидов, упо-треблении нитрита натрия и нитратов пищевых продуктов, при недостаточности аскорбино-вой кислоты ускоряется переход Fe2+ в Fe3+. Образующийся metHb не способен связывать кис-лород и возникает гипоксия тканей. Для восстановления ионов железа в клинике используют аскорбиновую кислоту и метиленовую синь.
Hb-CO – карбоксигемоглобин, образуется при наличии СО (угарный газ) во вдыхаемом воздухе. Он постоянно присутствует в крови в малых концентрациях, но его доля может коле-баться от условий и образа жизни.
HbA1С – гликозилированный гемоглобин. Концентрация его нарастает при хронической гипергликемии и является хорошим скрининговым показателем уровня глюкозы крови за дли-тельный период времени.
РЕГУЛЯЦИЯ ПРИСОЕДИНЕНИЯ КИСЛОРОДА К ГЕМОГЛОБИНУ
Кооперативное взаимодействие
Взаимовлияние протомеров олигомерного белка друг на друга называется кооператив-ное взаимодействие.
В легких такое взаимодействие субъединиц гемоглобина повышает его сродство к кис-лороду и ускоряет присоединение кислорода в 300 раз. В тканях идет обратный процесс, срод-ство снижается и ускорение отдачи кислорода также 300-кратное.
Объясняется такой феномен тем, что в легких при присоединении первой молекулы кис-лорода к железу (за счет 6-й координационной связи) атом железа втягивается в плоскость
Гемопротеины. Обмен гема 328
гема, кислород остается вне плоскости. Это вызывает перемещение участка белковой цепи и изменение конформации первого протомера. Такой измененный протомер влияет на другие субъединицы и облегчает связывание кислорода со второй субъединицей. Это меняет конфор-мацию второй субъединицы, облегчая присоединение последующих молекул кислорода и из-менение других протомеров.
Дезоксиформа гемоглобина обозначается как Т-форма, напряженная (англ. tense), она обладает существенно более низким сродством к кислороду. Оксигенированная форма, или R-форма (англ. relaxed), обладает высоким сродством к кислороду.
Изменение рН среды
Влияние рН на сродство гемоглобина к кислороду носит название эффекта Бора. При закислении среды сродство снижается, при защелачивании – повышается.
При повышении концентрации протонов (закисление среды) в тканях возрастает осво-бождение кислорода из оксигемоглобина, в легких после удаления угольной кислоты (в виде СО2) из крови и одновременном увеличении концентрации кислорода высвобождаются ионы Н+ из гемоглобина.
Реакция взаимодействия кислорода с гемоглобином упрощенно имеет вид:
H-Hb + O2 HbO2 + H+
Изменение сродства гемоглобина к кислороду в тканях и в легких при изменении кон-центрации ионов H+ и О2 обусловлено конформационными перестройками глобиновой части молекулы. В тканях кислород отрывается и ионы водорода присоединяются к остаткам гисти-дина, образуя восстановленный гемоглобин (H-Hb) с низким сродством к кислороду. В легких поступающий кислород "вытесняет" ион водорода из связи с остатком гистидина гемоглоби-новой молекулы.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 329
Роль 2,3-дифосфоглицерата
2,3-Дифосфоглицерат образуется в эритроцитах из 1,3-дифосфоглицерата, промежуточ-ного метаболита гликолиза, в реакциях, получивших название шунт Раппопорта.
При снижении концентрации кислорода в эритроцитах повышается содержание 2,3-дифосфоглицерата. Он располагается в центральной полости тетрамера дезоксигемогло-бина и связывается с β-цепями, образуя поперечный солевой мостик между атомами кисло-рода 2,3-дифосфоглицерата и аминогруппами концевого валина обеих β-цепей, аминогруп-пами радикалов лизина и гистидина.
Функция 2,3-дифосфоглицерата заключается в снижении сродства гемоглобина к кис-лороду. Это имеет особенное значение при подъеме на высоту, при длительной нехватке кис-лорода во вдыхаемом воздухе. В этих условиях связывание кислорода с гемоглобином в лег-ких не нарушается, так как концентрация его относительно высока. Однако в тканях за счет 2,3-дифосфоглицерата отдача кислорода возрастает в 2 раза.
НАРУШЕНИЕ СИНТЕЗА ГЕМОГЛОБИНА
ПОРФИРИИ
Порфирии – это группа гетерогенных наследственных заболеваний, возникающих в ре-зультате нарушения синтеза гема и повышения содержания порфиринов и их предшественни-ков в организме. Выделяют наследственные и приобретенные формы порфирии.
Приобретенные формы порфирий носят токсический характер и вызываются действием гексахлорбензола, солей свинца и других тяжелых металлов (ингибирование порфобилино-генсинтазы, феррохелатазы и др.), лекарственными препаратами (антигрибковый антибиотик гризеофульфин).
При наследственных формах дефект фермента имеется во всех клетках организма, но проявляется только в одном типе клеток. Можно выделить две большие группы порфирий:
1. Печеночные – группа заболеваний с аутосомно-доминантными нарушениями фер-ментов различных этапов синтеза протопорфирина IX. Наиболее ярким заболеванием этой группы является перемежающаяся острая порфирия, при которой у гетерозигот активность уропорфириноген-I-синтазы снижена на 50%.
Гемопротеины. Обмен гема 330
Заболевание проявляется после достижения половой зрелости из-за повышенной потреб-ности гепатоцитов в цитохроме Р450 для обезвреживания половых стероидов. Обострение со-стояния также часто бывает после приема лекарственных препаратов, метаболизм которых требует участия цитохрома Р450.
Потребление гема, необходимого для синтеза цитохрома Р450, и снижение его концен-трации активирует аминолевулинатсинтазу. В результате больные экскретируют с мочой большие количества порфобилиногена и аминолевулиновой кислоты. На свету порфириноген окисляется в окрашенные порфобилин и порфирин, и это является причиной потемнения мочи при ее стоянии на свету при доступе воздуха. Симптомами являются острые боли в животе, запоры, сердечно-сосудистые нарушения, нервно-психические расстройства.
2. Эритропоэтические – аутосомно-рецессивные нарушения некоторых ферментов син-теза протопорфирина IX в эритроидных клетках. При этом смещается баланс реакций обра-зования уропорфириногенов в сторону синтеза уропорфириногена I. Симптомы заболевания схожи с предыдущим, но дополнительно наблюдается светочувствительность кожи, обу-словленная наличием уропорфириногенов, кроме этого отмечаются трещины на коже и гемо-литические явления.
ТАЛАССЕМИИ
Для талассемий характерно снижение синтеза αцепей гемоглобина (α-талассемия) или β-цепей (β-талассемия). Это приводит к нарушению эритропоэза, гемолизу и тяжелым анемиям.
ДЫХАТЕЛЬНАЯ ФУНКЦИЯ КРОВИ
В тканях диффундирующий в кровь из клеток СО2 большей частью (около 90%) попа-дает в эритроциты. Движущей силой этого процесса является быстрая, постоянно идущая ре-акция превращения его в угольную кислоту при участии фермента карбоангидразы. Уголь-ная кислота диссоциирует и подкисляет содержимое эритроцита, что улучшает отдачу окси-гемоглобином кислорода (см выше "Эффект Бора").
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 331
Одновременно с концевыми NH2-группами -цепей гемоглобина связывается 10-12% карбонат-иона с образованием карбаминогемоглобина (карбогемоглобин, H-HbCO2).
Hb-NH2 + CO2 → Hb-NH-COO– + H+
Остальные бикарбонаты выходят в плазму крови в обмен на ионы хлора (гипохлореми-ческий сдвиг).
В легких в альвеолярном воздухе имеется высокая концентрация кислорода и относи-тельно низкая концентрация углекислого газа. Поэтому идет высокоэффективная диффузия СО2 из плазмы через альвеолярные мембраны и его удаление с выдыхаемым воздухом. Далее происходит:
o уменьшение концентрации СО2 в плазме стимулирует его образование в карбоангидраз-ной реакции внутри эритроцита и снижает в нем концентрацию иона HCO3–,
o одновременно высокая концентрация кислорода вытесняет СО2 из комплекса с гемогло-бином с образованием оксигемоглобина – более сильной кислоты, чем угольная,
o диссоциирующие от оксигемоглобина ионы Н+ нейтрализуют поступающий извне ион HCO3– с образованием угольной кислоты. После карбоангидразной реакции образуется СО2, который выводится наружу.
КАТАБОЛИЗМ ГЕМА
За сутки у человека распадается около 9 г гемопротеинов, в основном это гемоглобин эритроцитов. Эритроциты живут 90-120 дней, после чего лизируются в кровеносном русле или в селезенке.
При разрушении эритроцитов в кровяном русле высвобождаемый гемоглобин образует комплекс с белком-переносчиком гаптоглобином (фракция α2-глобулинов крови) и перено-сится в клетки ретикуло-эндотелиальной системы селезенки (главным образом), лимфоузлов, печени и костного мозга.
В клетках РЭС гем высвобождается из гемоглобина и окисляется молекулярным кисло-родом. В гемоксигеназной реакции происходит разрыв метинового мостика между 1-м и 2-м пиррольными кольцами гема с их восстановлением, выделением угарного газа СО и отщепле-нием иона железа. Полученный пигмент биливердин востанавливается до оранжевого пиг-мента билирубина.
Гемопротеины. Обмен гема 332
Билирубин – токсичное, жирорастворимое вещество, способное нарушать окислитель-ное фосфорилирование в клетках. Особенно чувствительны к нему клетки нервной ткани.
Из клеток ретикуло-эндотелиальной системы билирубин попадает в кровь. Здесь он находится в комплексе с альбумином плазмы, в гораздо меньшем количестве – в комплексах с металлами, аминокислотами, пептидами и другими малыми молекулами. Образование таких комплексов не позволяет выделяться билирубину с мочой. Билирубин в комплексе с альбумином называется сво-бодный (неконъюгированный) или непрямой билирубин.
Из сосудистого русла в гепатоциты билирубин попадает с помощью белков-переносчи-ков (транспортного белка органических анионов) или по механизму флип-флоп. Далее при участии белка лигандина он транспортируется в ЭПР, где протекает реакция связывания би-лирубина с УДФ-глюкуроновой кислотой (УДФГК), при этом образуются моно- и диглюку-рониды. Кроме глюкуроновой кислоты, в реакцию могут вступать сульфаты, фосфаты, глю-козиды. Билирубин-глюкуронид получил название связанный (конъюгированный) или пря-мой билирубин.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 333
После образования билирубин-глюкурониды АТФ-зависимым переносчиком секрети-руются в желчные протоки и отсюда:
o в кишечник, где при участии бактериальной -глюкуронидазы превращаются в свобод-ный билирубин,
o или, даже в норме, некоторое количество билирубин-глюкуронидов может попадать из желчи в кровь по межклеточным щелям.
Таким образом, в крови обычно присутствуют две формы билирубина: свободный, по-падающий сюда из клеток РЭС (80% и более всего количества), и связанный, попадающий из желчных протоков (не более 20%).
Названия "свободный" или "связанный" определяют строение билирубина, а именно – связан он или не связан с глюкуроновой кислотой.
Названия "прямой" или "непрямой" отражают химические свойства разных форм билирубина – гидрофобный непрямой билирубин плохо реагирует с реактивом Эр-лиха, и требует наличия дополнительных веществ (ускорителей, акселераторов) для протекания реакции (т.е. реагирует непрямо, "в обход"). Прямой билирубин гидрофилен и с реактивом Эрлиха реагирует прямо, без посредников.
В кишечнике билирубин подвергается восстановлению под действием микрофлоры до мезобилирубина и мезобилиногена (уробилиногена). Часть последних всасывается и с током крови вновь попадает в печень, где окисляется до ди- и трипирролов. При этом при здоровой печени в общий круг кровообращения и в мочу мезобилирубин и уробилиноген не попадают, а полностью задерживаются гепатоцитами. Оставшиеся в кишечнике пигменты ферментами бактериальной флоры толстого кишечника восстанавливаются до стеркобилиногена и выде-ляются из организма, окрашивая кал. Незначительное количество стеркобилиногена через ге-морроидальные вены попадает в большой круг кровообращения, отсюда в почки и выделяется с мочой, придавая ей цвет. На воздухе стеркобилиноген и уробилиноген превращаются, соот-ветственно, в стеркобилин и уробилин.
НАРУШЕНИЯ ОБМЕНА БИЛИРУБИНА
Накопление билирубина в крови свыше 43 мкмоль/л ведет к связыванию его эластиче-скими волокнами кожи и конъюнктивы, что проявляется в виде желтухи.
ГЕМОЛИТИЧЕСКАЯ ЖЕЛТУХА
Гемолитическая или надпеченочная желтуха – ускоренное образование билирубина в ре-зультате усиления внутрисосудистого гемолиза. К данному типу желтух относятся гемолити-ческие анемии различного происхождения: врожденный сфероцитоз, серповидно-клеточная
Гемопротеины. Обмен гема 334
анемия, дефицит глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, отравление сульфаниламидами, талассе-мии, сепсис, лучевая болезнь, несовместимость крови по группам. В данной патологии гипер-билирубинемия развивается за счет фракции непрямого билирубина.
Гепатоциты усиленно переводят избыток непрямого билирубина в связанную форму, секретируют его в желчь, в результате в кале увеличивается содержание стеркобилина, интен-сивно его окрашивая. В моче возрастает содержание стеркобилина, поступающего из кишеч-ника, билирубин отсутствует.
У новорожденных желтуха может развиться как симптом гемолитической болезни ново-рожденного.
МЕХАНИЧЕСКАЯ ЖЕЛТУХА
Механическая или подпеченочная желтуха развивается вследствие снижения оттока желчи при непроходимости желчного протока – желчные камни, новообразования поджелу-дочной железы, гельминтозы.
В результате застоя желчи происходит растяжение желчных капилляров, увеличивается проницаемость их стенок. Не имеющий оттока в кишечник прямой билирубин поступает в кровь, в результате развивается гипербилирубинемия. В тяжелых случаях, вследствие пере-полнения гепатоцитов прямым билирубином, реакция конъюгации с глюкуроновой кислотой может нарушаться. В результате в крови увеличивается концентрация непрямого билирубина.
В моче резко увеличен уровень билирубина (цвет темного пива) и снижено количество стеркобилина, практически отсутствует стеркобилин кала (серовато-белое окрашивание).
ПАРЕНХИМАТОЗНАЯ ЖЕЛТУХА
Паренхиматозная (печеночно-клеточная) желтуха – причиной может быть нарушение на всех трех стадиях превращения билирубина в печени: извлечение билирубина из крови пече-ночными клетками, его конъюгирование и секреция в желчь. Наблюдается при вирусных и других формах гепатитов, циррозе и опухолях печени, жировой дистрофии печени, при отрав-лении токсическими гепатотропными веществами, при врожденных патологиях.
Так как нарушаются все процессы превращения билирубина в печени, гипербилируби-немия развивается за счет обеих фракций, преимущественно прямого билирубина. Концентра-ция его возрастает из-за нарушения секреции в желчь и увеличения проницаемости мембран клеток печени. Количество непрямого билирубина возрастает за счет функциональной недо-статочности гепатоцитов и/или снижения их количества.
В моче определяется билирубин (цвет черного чая), умеренно увеличена концентрация уробилина, уровень стеркобилина кала в норме или снижен.
У младенцев вариантами паренхиматозной желтухи являются
o физиологическая желтуха новорожденных и недоношенных,
o желтуха, вызываемая молоком матери.
Наследственными формами паренхиматозной желтухи являются синдромы Жильбера-Мейленграхта, Дубина-Джонсона, Криглера-Найяра.
НАРУШЕНИЯ ОБМЕНА БИЛИРУБИНА У ДЕТЕЙ
Гемолитическая болезнь новорожденного
Причины
Несовместимость крови матери и плода по группе или по резус-фактору. Накопление гидрофобной формы билирубина в подкожном жире обусловливает желтушность кожи. Од-нако реальную опасность представляет накопление билирубина в сером веществе нервной ткани и ядрах ствола с развитием "ядерной желтухи" (билирубиновая энцефалопатия).
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 335
Клиническая диагностика
Проявляется сонливостью, плохим сосанием, умственной отсталостью, ригидностью за-тылочных мышц, тоническими судорогами, тремором конечностей, изменением рефлексов с возможным развитием глухоты и параличей.
Лабораторная диагностика
В крови выявляются выраженная анемия, ретикулоцитоз, эритро- и нормобластоз. Ги-пербилирубинемия за счет непрямой фракции от 100 до 342 мкмоль/л, в дальнейшем присо-единяется и прямая фракция. Уровень билирубина в крови быстро нарастает и к 3-5 дню жизни достигает максимума.
Основы лечения
o переливание крови,
o фенобарбитал, который стимулирует в гепатоцитах увеличение активности УДФ-глюкуронилтрансферазы и цитохрома Р450.
Физиологическая (транзиторная) желтуха новорожденных
Причины
o относительное снижение активности УДФ-глюкуронилтрансферазы в первые дни жизни, связанное с повышенным распадом фетального гемоглобина,
o абсолютное снижение активности УДФ-глюкуронилтрансферазы в первые дни жизни,
o дефицит лигандина,
o слабая активность желчевыводящих путей.
Клиническая диагностика
Симптомом является окрашивание кожи на 3-4 день после рождения, при этом гемолиза и анемии нет. Исчезает спустя 1-2 недели после рождения.
Лабораторная диагностика
Увеличение концентрации свободного билирубина в сыворотке до 140-240 мкмоль/л.
Основы лечения
o фенобарбитал, который стимулирует в гепатоцитах увеличение активности УДФ-глюкуронилтрансферазы и цитохрома Р450,
o желчегонные средства.
Желтуха недоношенных
Причины
o относительное снижение активности УДФ-глюкуронилтрансферазы в первые дни жизни, связанное с повышенным распадом фетального гемоглобина,
o абсолютное снижение активности УДФ-глюкуронилтрансферазы в первые дни жизни,
o дефицит лигандина,
o слабая активность желчевыводящих путей.
Клиническая диагностика
Симптомом является окрашивание кожи, при этом гемолиза и анемии нет. Исчезает спу-стя 3-4 недели после рождения.
Лабораторная диагностика
Увеличение концентрации свободного билирубина в сыворотке до максимума на 5-6 дни после рождения, более выражено по сравнению с физиологической желтухой.
Основы лечения
o фенобарбитал, который стимулирует в гепатоцитах увеличение активности УДФ-глюкуронилтрансферазы и цитохрома Р450,
o желчегонные средства,
Гемопротеины. Обмен гема 336
o фототерапия – под влиянием света происходит образование "люмирубина" – изомерной формы билирубина, легко выводимой с мочой и желчью.
Негемолитическая гипербилирубинемия новорожденных, вызываемая молоком матери
Заболевание также носит названия желтуха грудного молока и синдром Люцея-Ариаса.
Причины
Снижение конъюгации билирубина из-за подавления активности УДФ-глюкуронил-трансферазы эстрогенами материнского молока. Встречается у 1% вскармливаемых грудью новорожденных.
Клиническая диагностика
Проявляется желтухой, иногда с явлениями поражения ЦНС.
Лабораторная диагностика
Резкое увеличение концентрации свободного билирубина в сыворотке крови (в тяжелых случаях более 370 мкмоль/л).
Основы лечения
o фототерапия – под влиянием света происходит образование "люмирубина" – изомерной формы билирубина, легко выводимой с мочой и желчью,
o временный перевод (до 3-х суток) на искусственное питание,
o иногда фенобарбитал, который стимулирует в гепатоцитах увеличение активности УДФ-глюкуронилтрансферазы и цитохрома Р450,
o в тяжелых случаях плазмаферез, гемосорбция, переливание крови.
Синдром Жильбера-Мейленграхта
Причины
К причинам заболевания относятся аутосомно-доминантное нарушение белка лиган-дина, ответственного за транспорт билирубина от васкулярной мембраны к ЭПР, а также неполноценность фермента микросом уридиндифосфатглюкуронилтрансферазы.
Клиническая диагностика
Выявляется в юношеском возрасте и продолжается в течение многих лет, обычно всю жизнь. Наблюдается у 2-5% населения, мужчины страдают чаще женщин (соотношение 10:1).
o иктеричность склер (от лат. icterus – желтый),
o желтушное окрашивание кожи (только у отдельных больных), особенно лица, иногда наблюдается частичное окрашивание ладоней, стоп, подмышечных областей, носогуб-ного треугольника.
o диспепсические жалобы отмечаются в 50% случаев, выражаются в тошноте, отсутствии аппетита, отрыжке, нарушении стула (запор или понос), метеоризме.
Лабораторная диагностика
Периодическое повышение содержание свободного билирубина плазмы, вызванное с провоцирующими факторами (стресс, мышечное напряжение, инфекции).
Синдром Дубина-Джонсона
Причины
Аутосомно-доминантная недостаточность выведения конъюгированного билирубина из гепатоцитов в желчные протоки.
Клиническая диагностика
Болезнь протекает длительно, с периодическими обострениями. Встречается чаще у мужчин, выявляется в молодом возрасте, реже после рождения. Характерны повышенная
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 337
утомляемость, плохой аппетит, боли в правом подреберье, поносы, желтуха, сопровождающа-яся кожным зудом. Иногда встречается увеличенная печень и селезенка.
Лабораторная диагностика
Увеличение содержания свободного и конъюгированного билирубина в плазме. Харак-терны билирубинурия, понижение содержания уробилина в кале и моче.
Синдром Криглера-Найяра
Тип I
Причины
Полное отсутствие активности УДФ-глюкуронилтрансферазы вследствие аутосомно-рецессивного генетического дефекта.
Клиническая диагностика
Симптомы поражения нервной системы: повышение мышечного тонуса, нистагм, опи-стотонус, атетоз, тонические и клонические судороги. Дети отстают в психическом и физиче-ском развитии. Развитие ядерной желтухи и гибель ребенка.
Лабораторная диагностика
Гипербилирубинемия появляется в первые дни (часы) после рождения. Характерна ин-тенсивная желтуха, в большинстве случаев сопровождающаяся ядерной желтухой. Непрерыв-ное возрастание содержания свободного билирубина в плазме до 200-800 мкмоль/л (в 15-50 раз выше нормы). Отсутствие конъюгированного билирубина в желчи.
Основы лечения
Ограничение физических и нервных нагрузок. Применяют фототерапию с использова-нием лампы дневного света, прямого солнечного света, внутривенно вливают растворы аль-бумина, производят заменные переливания крови.
Тип II
Причины
При синдроме Криглера-Найяра II типа отмечается частичное снижение активности УДФ-глюкуронилтрансферазы. Считается, что это аутосомно-рецессивное заболевание.
Клиническая диагностика
Желтуха менее интенсивна.
Лабораторная диагностика
Содержание непрямого билирубина в крови в 5-20 раз выше нормы. В желчи есть били-рубинглюкуронид.
Основы лечения
Ограничение физических и нервных нагрузок. Использование препаратов, индуцирую-щих глюкуронилтрансферазы – фенобарбитал, зиксорин.
К И С ЛО Т НО - О С НО В Н О Е СО С Т О Я Н И Е
Кислотно-основное равновесие представляет собой активность физиологических и фи-
зико-химических процессов, составляющих функционально единую систему стабилизации
концентрации ионов Н+. Нормальные величины концентрации ионов Н+ около 40 нмоль/л, что
в 106 раз меньше, чем концентрация многих других веществ (глюкоза, липиды, минеральные
вещества). Совместимые с жизнью колебания концентрации ионов Н+ располагаются в преде-
лах 16-160 нмоль/л.
Так как реакции обмена веществ часто связаны с окислением и восстановлением моле-
кул, то в этих реакциях обязательно принимают участие соединения, выступающие в качестве
акцептора или донора ионов водорода. Роль других соединений – обеспечить неизменность
концентрации ионов водорода при жизнедеятельности.
Р О Л Ь И О Н О В В О Д О Р О Д А
Роль внеклеточных ионов водорода
Стабильность внеклеточной концентрации ионов Н+ обеспечивает:
o оптимальную функциональную активность белков плазмы крови и межклеточного про-
странства (ферменты, транспортные белки),
o растворимость неорганических и органических молекул,
o неспецифическую защиту кожного эпителия,
o отрицательный заряд наружной поверхности мембраны эритроцитов.
Роль внутриклеточных ионов водорода
Стабильность внутриклеточной концентрации Н+ необходима для:
o оптимальной активности ферментов мембран, цитоплазмы и внутриклеточных органелл,
o формирования электрохимического градиента мембраны митохондрий на должном
уровне и достаточную наработку АТФ в клетке.
О С Н О В НЫ Е П О К АЗ А Т Е Л И К О С
Исследования кислотно-основного состояния крови проводятся на газовых анализато-
рах, которые с учетом температуры крови и давления напрямую определяют только концен-
трацию ионов Н+ (величину рН) и показатель pCO2 (количество СО2). Остальные параметры
рассчитываются, исходя из уравнения Гендерсона-Гассельбаха:
-3
2
[HCO ]
pH=pK'+lg
0,031× pCO
В О Д О Р О Д Н Ы Й П О К А З А Т Е Л Ь
Водородный показатель (рН) — отрицательный десятичный логарифм активности, или
концентрации, водородных ионов в растворе. Он является основной количественной характе-
ристикой кислотности водных растворов:
рН = -lg[H+]
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 339
В случае равенства концентраций ионов H+ и ОН– величина рН среды соответствует 7,0, т.е. среда нейтральная.
В растворах кислот и щелочей концентрация ионов H+ не равна концентрации ионов ОН– и рН соответственно меньше или больше 7. Повышение концентрации ионов Н+ вызывает со-ответствующее уменьшение концентрации ионов ОН–, и наоборот.
В норме концентрация ионов Н+ колеблется от 36 до 45 нмоль/л, в среднем она состав-ляет 40 нмоль/л, что соответствует рН 7,4. Совместимый с жизнью диапазон концентраций ионов Н+ – 16-160 нмоль/л, что соответствует рН 6,8-7,8.
Снижение величины рН или накопление ионов Н+ называется ацидоз, увеличение рН или дефицит ионов Н+ – алкалоз.
Нормальные величины
Цельная кровь
новорожденные
7,21-7,38
взрослые
артериальная кровь
7,37-7,45
венозная кровь
7,34-7,43
Клинико-диагностическое значение
Изменение показателя происходит при накоплении кислотных или щелочных эквивален-тов. Водородный показатель является главным и его значение определяет диагноз ацидоза или алкалоза.
ПАРЦИАЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА
Парциальное давление или напряжение углекислого газа (рСО2) – давление СО2 в га-зовой смеси, находящейся в равновесии с плазмой артериальной крови при температуре 38°С. Показатель является критерием концентрации углекислоты в крови.
Нормальные величины
Цельная кровь
35-48 мм рт.ст. (4,66-6,38 кПа)
Клинико-диагностическое значение
Изменение показателя pCO2 играет ведущую роль при респираторных нарушениях.
o увеличивается при респираторном ацидозе из-за нарушения вентиляции легких, что и вызывает накопление угольной кислоты,
o снижается при респираторном алкалозе. В этом случае уменьшение рСО2 происходит в результате гипервентиляции легких, которая приводит к повышенному выведению из ор-ганизма углекислоты и защелачиванию крови.
При нереспираторных (метаболических) проблемах показатель не изменяется. Если налицо метаболические сдвиги рН и показатель pCO2 не в норме, то имеются вторичные (или компенсаторные) изменения. При клинической оценке сдвига показателя рСО2 важно устано-вить, являются ли изменения причинными или компенсаторными.
Таким образом, повышение показателя pCO2 происходит при респираторных ацидозах и компенсированном метаболическом алкалозе, а снижение – при респираторных алкалозах и компенсации метаболического ацидоза. Колебания величины рСО2 при патологических состо-яниях находятся в диапазоне от 10 до 130 мм рт.ст.
КОНЦЕНТРАЦИЯ БИКАРБОНАТ-ИОНОВ
Концентрация бикарбонатов (ионов HCO3–) в плазме крови является третьим основ-ным показателем кислотно-основного состояния. На практике различают показатели актуаль-ных (истинных) бикарбонатов и стандартных бикарбонатов.
Актуальные бикарбонаты (AB, АБ) – это концентрация ионов HCO3– в исследуемой крови при 38°С и реальных (данных) значениях pH и pCO2.
Кислотно-основное состояние 340
Стандартные бикарбонаты (SB, СБ) – это концентрация ионов HCO3– в исследуемой крови при приведении ее в стандартные условия: полное насыщение кислородом крови, урав-новешивание при 38°С с газовой смесью, в которой pCO2 равно 40 мм рт.ст.
У здоровых людей концентрация актуальных и стандартных бикарбонатов практически одинакова.
Нормальные величины
Цельная кровь
21-28 ммоль/л
Клинико-диагностическое значение
Диагностическое значение концентрации бикарбонатов в крови состоит, прежде всего, в определении характера (метаболического или респираторного) нарушений КОС.
Показатель в первую очередь изменяется при метаболических нарушениях: при мета-болическом ацидозе показатель HCO3– снижается, при метаболическом алкалозе – повыша-ется.
Т.к. угольная кислота очень плохо диссоциирует и ее накопление в крови практически не отражается на концентрации HCO3–, то при первичных респираторных нарушениях из-менение бикарбонатов невелико.
При респираторной компенсации метаболического алкалоза бикарбонаты накаплива-ются вследствие урежения дыхания.
КОНЦЕНТРАЦИЯ БУФЕРНЫХ ОСНОВАНИЙ
Еще одним показателем, характеризующим состояние КОС, является концентрация бу-ферных оснований (buffer bases, ВВ, БО), отражающая сумму всех анионов цельной крови, в основном анионов бикарбоната и хлора, к другим анионам относятся ионы белков, сульфаты, фосфаты, лактат, кетоновые тела и т.п.
Этот параметр почти не зависит от изменения парциального давления углекислого газа в крови, но отражает продукцию кислот тканями и частично функцию почек. По величине буферных оснований можно судить о сдвигах КОС, связанных с увеличением или уменьше-нием содержания нелетучих кислот в крови (т.е. всех, кроме угольной кислоты).
Нормальные величины
Цельная кровь
44-48 ммоль/л
Практически используемым параметром концентрации буферных оснований является параметр "остаточные анионы" или "неопределяемые анионы" или "анионное несоответ-ствие" или "анионная разница". В основе использования показателя анионной разницы лежит постулат об электронейтральности, т.е. количество отрицательных (анионов) и положитель-ных (катионов) в плазме крови должно быть одинаковым. Если же экспериментально опреде-лить количество наиболее представленных в плазме крови ионов Na+, K+, Cl–, HCO3–, то раз-ность между катионами и анионами составляет примерно 12 ммоль/л.
Анионная разница, ммоль/л = ([Na+] + [K+]) – ([Cl–] + [HCO3–]) = 12
Изменение величины анионной разницы сигнализирует о накоплении неизмеряемых анионов (лактат, кетоновые тела) или катионов, что уточняется по клинической картине или по анамнезу.
Клинико-диагностическое значение
Показатели общих буферных оснований и анионной разницы особенно информативны при метаболических сдвигах КОС, тогда как при респираторных нарушениях его колебания незначительны.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 341
И З Б Ы Т О К Б У Ф Е Р Н Ы Х О С Н О В А Н И Й
Избыток оснований (base excess, BE, ИО) – разница между фактической и должной ве-
личинами буферных оснований. По значению показатель может быть положительным (избы-
ток оснований) или отрицательным (дефицит оснований, избыток кислот).
Показатель по диагностической ценности выше, чем показатели концентрации актуаль-
ных и стандартных бикарбонатов. Избыток оснований отражает сдвиги количества оснований
буферных систем крови, а актуальные бикарбонаты – только концентрацию.
Нормальные величины
Цельная кровь дети от -4 до -2 ммоль/л
взрослые от -2 до +3 ммоль/л
Клинико-диагностическое значение
Наибольшие изменения показателя отмечаютcя при метаболических нарушениях: при
ацидозе выявляется нехватка оснований крови (дефицит оснований, отрицательные значе-
ния), при алкалозе – избыток оснований (положительные значения). Предел дефицита, сов-
местимый с жизнью, 30 ммоль/л.
При респираторных сдвигах показатель меняется незначительно.
К И С Л О Р О Д - С В Я З А Н Н Ы Е П О К А З А Т Е Л И
Оксигемоглобин
Оксигемоглобин (HbО2) – процентное содержание в крови, является отношением фрак-
ции оксигемоглобина (HbО2) к сумме всех фракций (общему гемоглобину).
Цельная кровь взрослые 94-97 %
Насыщение гемоглобина кислородом
Насыщение (сатурация) гемоглобина кислородом (HbOSAT, SО2), представляет собой
отношение фракции оксигенированного гемоглобина к тому количеству гемоглобина в крови,
который способен транспортировать О2.
HbOSAT = 2
2
HbO
100%
HbO + HHb
Отличия между двумя показателями HbО2 и HbOSAT заключаются в том, что у пациентов
возможно наличие в крови такой формы гемоглобина, которая не способна акцептировать О2
(Hb-CO, metHb, сульфоHb). Но так как большинство больных не имеют в крови повышенного
содержания этих форм гемоглобина, значения HbО2 и SО2 обычно очень близки.
Цельная кровь новорожденные 40-90%
взрослые 94-98%
Общее содержание кислорода
Общее содержание кислорода (TO2) – сумма всего кислорода крови, т.е. растворенного
в плазме крови и цитозоле эритроцитов, и кислорода, связанного с Hb.
Парциальное давление кислорода
Парциальное давление кислорода (pO2) – давление О2 в газе, находящемся в равнове-
сии с кислородом, растворенным в плазме артериальной крови при температуре 38°С.
Хотя растворенный кислород составляет менее 10% общего кислорода в крови, он нахо-
дится в динамическом равновесии между кислородом эритроцитов и тканей.
Цельная кровь взрослые 83-108 мм рт.ст. (11,04-14,36 кПа)
Данный показатель является основным при характеристике гипоксии.
Кислотно-основное состояние 342
КОМПЕНСАЦИЯ ИЗМЕНЕНИЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ ВОДОРОДА В ПЛАЗМЕ КРОВИ
При изменении концентрации ионов Н+ активируется компенсационная деятельность двух крупных систем организма:
1. Система химической компенсации
o действие внеклеточных и внутриклеточных буферных систем,
o интенсивность внутриклеточного образования ионов Н+ и НСО3–.
2. Система физиологической компенсации
o легочная вентиляция и удаление СО2,
o почечная экскреция ионов Н+ (ацидогенез, аммониегенез), реабсорбция и синтез НСО3–.
БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ
Буферные системы – это соединения, противодействующие резким изменениям кон-центрации ионов Н+, включающие кислотно-основные пары: слабое основание (анион, А–) и слабая кислота (Н-А). Они вступают в действие моментально и через несколько минут их эф-фект достигает максимума возможного.
Существует несколько буферных систем жидкостей организма – бикарбонатная, фос-фатная, белковая, гемоглобиновая.
Бикарбонатная буферная система
Эта система состоит из бикарбонат-иона (НСО3–) и угольной кислоты (Н2СО3), мощ-ность составляет 65% от общей буферной емкости крови. В норме отношение HCO3– к H2CO3 равно 20 : 1. Работа этой системы неразрывно и тесно связана с легкими.
При поступлении в кровь более сильной кислоты, чем угольная, ионы бикарбоната натрия взаимодействуют с ней, происходит реакция обмена и образуется соответствующая соль и угольная кислота. В результате, благодаря связыванию введенной в систему кислоты, концентрация ионов водорода значительно понижается.
NaНСО3 + Н-Анион ↔ Н2СО3 + Na+ + Анион–
При поступлении оснований они реагируют с угольной кислотой и образуют соли бикарбонатов:
H2CO3 + Катион-ОН ↔ Катион+ + HCO3– + Н2О
Возникающий при этом дефицит угольной кислоты компенсируется уменьшением вы-деления CO2 легкими.
При накоплении угольной кислоты в крови не происходит параллельного значимого увеличения концентрации НСО3–, т.к. она очень плохо диссоциирует.
Благодаря работе бикарбонатного буфера концентрация водородных ионов понижается по двум причинам:
o угольная кислота является очень слабой кислотой и плохо диссоциирует,
o в крови легких благодаря присутствию в эритроцитах фермента карбоангидразы, уголь-ная кислота быстро расщепляется с образованием CO2, удаляемого с выдыхаемым возду-хом:
Н2СО3 ↔ Н2О + СО2
Кроме эритроцитов, значительная активность карбоангидразы отмечена в эпителии почечных канальцев, клетках слизистой оболочки желудка, коре надпочечников и клетках пе-чени, в незначительных количествах – в центральной нервной системе, поджелудочной же-лезе и других органах.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 343
Фосфатная буферная система
Фосфатная буферная система составляет около 1-2% от всей буферной емкости крови и до 50% буферной емкости мочи. Она образована дигидрофосфатом (NaH2PO4) и гидрофосфа-том (Na2HPO4) натрия. Первое соединение слабо диссоциирует и ведет себя как слабая кис-лота, второе обладает щелочными свойствами. В норме отношение HРO42– к H2РO4– равно 4 : 1.
При взаимодействии кислот (ионов водорода) с двузамещенным фосфатом натрия (Na2HPO4) натрий вытесняется, образуется натриевая соль дигидрофосфата (H2PO4–). В ре-зультате, благодаря связыванию введенной в систему кислоты, концентрация ионов водорода значительно понижается.
HPO42– + Н-Анион ↔ H2PO4– + Анион–
При поступлении оснований избыток ОН– групп нейтрализуется имеющимися в среде Н+, а расход ионов Н+ восполняется повышением диссоциации NaH2PO4.
H2PO4– + Катион-ОН ↔ Катион+ + HPO42– + Н2О
Основное значение фосфатный буфер имеет для регуляции pH интерстициальной жид-кости и мочи. В моче роль его состоит в сбережении бикарбоната натрия за счет дополни-тельного иона водорода (по сравнению с NaHCO3) в составе выводимого NaH2PO4:
Na2HPO4 + Н2СО3 ↔ NaH2PO4 + NaНСО3
Кислотно-основная реакция мочи зависит только от содержания дигидрофосфата, т.к. бикарбонат натрия в почечных канальцах почти полностью реабсорбируется.
Белковая буферная система
Буферная мощность этой системы составляет 5% от общей буферной емкости крови.
Белки плазмы, в первую очередь альбумин, играют роль буфера благодаря своим амфо-терным свойствам. В кислой среде подавляется диссоциация СООН-групп, а группы NH2 свя-зывают избыток Н+, при этом белок заряжается положительно. В щелочной среде усиливается диссоциация карбоксильных групп, образующиеся Н+ связывают избыток ОН–-ионов и pH со-храняется, белки выступают как кислоты и заряжаются отрицательно.
Гемоглобиновая буферная система
Наибольшей мощностью обладает гемоглобиновый буфер, который можно рассматри-вать как часть белкового. На него приходится до 30% всей буферной емкости крови. В буфер-ной системе гемоглобина существенную роль играет гистидин, который содержится в белке в большом количестве (около 8%). Изоэлектрическая точка гистидина равна 7,6, что позволяет гемоглобину легко принимать и легко отдавать ионы водорода при малейших сдвигах физио-логической рН крови (в норме 7,35-7,45).
Пара Н-Нb / Н-НbО2 является основной в работе гемоглобинового буфера. Соединение ННbО2 является более сильной кислотой по сравнению с угольной кислотой, HHb – более сла-бая кислота, чем угольная.
Работа гемоглобинового буфера неразрывно связана с дыхательной системой.
Кислотно-основное состояние 344
В легких после удаления СО2 (угольной кислоты) происходит защелачивание крови. Па-раллельное присоединение О2 к дезоксигемоглобину H-Hb образует кислоту Н-НbО2, более сильную, чем угольная. Поэтому она отдает свои ионы Н+ в среду, предотвращая повышение рН:
Н-Hb + O2 → [H-HbO2] → НbO2 + Н+
В капиллярах тканей постоянное поступление кислот (в том числе и угольной) из клеток приводит к диссоциации оксигемоглобина НbO2 (эффект Бора) и связыванию ионов Н+ в виде Н-Hb:
НbO2+ Н+ → [H-HbO2] → Н-Hb + O2
СИСТЕМЫ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИИ
Дыхательная система
Легочная вентиляция обеспечивает удаление угольной кислоты, образованной при функционировании бикарбонатной буферной системы. По скорости реакции на изменение рН – это вторая система после буферных систем.
Дополнительная вентиляция легких приводит к удалению СО2, а значит и Н2СО3, и по-вышает рН крови, что компенсирует закисление межклеточной жидкости и плазмы крови про-дуктами метаболизма, в первую очередь, органическими кислотами.
Первым фактором для регуляции дыхательной системы является концентрация ионов Н+, влияющая на периферические (каротидные тельца) и центральные (продолговатый мозг) рецепторы. Накопление ионов Н+ в крови уже через 1-2 минуты вызывает максимальную (для данной их концентрации) стимуляцию дыхательного центра, повышая его активность до 4-5 раз. И, наоборот, снижение кислотности крови способно понижать активность дыхательного центра в 2-4 раза.
Вторым фактором стимуляции дыхательного центра является величина pCO2. Чувстви-тельные хеморецепторы для CO2 находятся в продолговатом мозге, в аортальном и каротид-ных тельцах. В случае гиперкапнии (увеличение CO2) рецепторы активируются.
Третий регулятор вентиляции – сдвиги концентрации O2. На pO2 реагируют, главным образом, периферические рецепторы каротидного синуса и дуги аорты. Они являются значи-мыми для легочной вентиляции только при сильном снижении рО2 в артериальной крови (60-70% от нормы).
Костная ткань
Это наиболее медленно реагирующая система. Механизм ее участия в повышении рН крови пассивен и состоит в возможности обмениваться с плазмой крови ионами Са2+ и Na+ в обмен на протоны Н+. При снижении рН (закисление) происходит поступление протонов внутрь остеоцитов, а ионов кальция и калия – наружу. Параллельно происходит растворение
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 345
гидроксиапатитных кальциевых солей костного матрикса и связывание ионов Н+ с НРО42–, который уходит с мочой.
Печень
Существенную, но пассивную роль в регуляции кислотно-основного состояния крови берет на себя печень, в которой происходит метаболизм низкомолекулярных органических кислот (молочная кислота и др). Кроме этого, кислые и щелочные эквиваленты выделяются с желчью.
Почки
Роль почек в регуляции сдвигов КОС заключается в изменении реабсорбции бикарбо-ната и секреции аммиака и титруемых кислот. Благодаря этим процессам рН мочи постепенно снижается до 4,5-5,2. Развитие почечной реакции на смещение кислотно-основного состояния происходит в течение нескольких часов и даже дней.
Специфические нейрогуморальные механизмы регуляции секреции и реабсорбции ионов Н+ отсутствуют. Регуляция концентрации ионов H+ осуществляется опосредованно, через потоки ионов Na+, движущихся по градиенту концентрации, и через перераспределение потоков ионов К+ и Н+, которые выходят из клетки (секретируются) в обмен на ионы Na+.
Также для обеспечения электронейтральности внутри- и внеклеточной жидкости при ре-абсорбции ионов Na+ усиливается реабсорбция ионов Cl–, однако их не хватает, поэтому воз-никает необходимость в усилении реабсорбции и дополнительном синтезе ионов HCO3–.
Все вышесказанное упрощенно можно проиллюстрировать выражением:
Реабсорбция (Na+) Секреция (К+ + Н+) + Реабсорбция (Cl– + HCO3–)
В почках активно протекают три процесса, связанных с уборкой кислых эквивалентов:
1. Реабсорбция бикарбонатных ионов HCO3–.
2. Ацидогенез – удаление ионов Н+ с титруемыми кислотами (в основном в составе дигидро-фосфатов NaH2PO4).
3. Аммониегенез – удаление ионов Н+ в составе ионов аммония NH4+.
Реабсорбция бикарбонат-ионов
В проксимальных канальцах ионы Na+ мигрируют в цитозоль эпителиальных клеток в силу концентрационного градиента, который создается на базолатеральной мембране при ра-боте фермента Na+/К+-АТФазы. В обмен на ионы Na+ эпителиоциты канальцев активно сек-ретируют в канальцевую жидкость ионы водорода.
Кислотно-основное состояние 346
Ионы HCO3– первичной мочи и секретируемые ионы Н+ образуют угольную кислоту Н2СО3. В гликокаликсе эпителиоцитов фермент карбоангидраза катализирует распад уголь-ной кислоты на СО2 и воду. В результате возникает градиент концентрации углекислого газа между просветом канальцев и цитозолем, и СО2 диффундирует в клетки. Внутриклеточная карбоангидраза использует пришедший СО2 и образует угольную кислоту, которая диссоции-рует. Ионы НСО3– транспортируются в кровь, ионы Н+ – секретируются в мочу в обмен на ионы Na+. Таким образом, объем реабсорбции НСО3– полностью соответствует секреции ионов Н+.
В проксимальных канальцах происходит реабсорбция 90% профильтрованного НСО3–. В петле Генле и дистальных канальцах реабсорбируется оставшееся количество карбонат-иона. Всего в почечных канальцах реабсорбируется более 99% от фильтруемых бикарбонатов.
Ацидогенез
В процессе ацидогенеза в сутки с мочой выделяется 10-30 ммоль кислот, называемых титруемыми кислотами. Фосфаты, являясь одной из этих кислот, играют роль буферной си-стемы в моче. Роль ее состоит экскреции кислых эквивалентов без потерь бикарбонат-ионов за счет дополнительного иона водорода в составе выводимого NaH2PO4:
Na2HPO4 + Н2СО3 NaH2PO4 + NaНСО3
После того как бикарбонат натрия в почечных канальцах реабсорбируется, кислотность мочи зависит только от связывания ионов Н+ с HPO42– и содержания дигидрофосфата.
Хотя в крови соотношение HРO42– : H2РO4– равно 4 : 1, в клубочковом фильтрате оно меняется на 1 : 9. Происходит это из-за того, что менее заряженный H2РO4– лучше фильтру-ется в клубочках. Связывание ионов Н+ ионами HРO42– на протяжении всего канальца приво-дит к увеличению количества H2РO4– и в дистальных канальцах соотношение может достигать 1 : 50.
Аммониегенез
Аммониегенез происходит на протяжении всего почечного канальца, но более активно идет в дистальных отделах – дистальных канальцах и собирательных трубочках коркового и мозгового слоев. В этих сегментах, в отличие от Na+/H+-антипорта проксимальных отделов, секреция ионов Н+ происходит с участием Н+-АТФазы, локализованной на апикальной мем-бране эпителиоцита.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 347
Глутамин и глутаминовая кислота, попадая в клетки канальцев, быстро дезаминируются ферментами глутаминаза и глутаматдегидрогеназа с образованием аммиака. Являясь гид-рофобным соединением, аммиак диффундирует в просвет канальца и акцептирует ионы Н+ с образованием аммонийного иона. Далее аммонийный катион способен взаимодействовать с анионами Cl–, SO42–, с органическими кислотами (лактат и другие) с образованием аммоний-ных солей.
ВНУТРИКЛЕТОЧНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ ВОДОРОДА
В результате деятельности клеток в них накапливаются кислые продукты – органические и неорганические кислоты (лактат, фосфаты) или, наоборот, снижается концентрация ионов водорода. Для компенсации этих изменений используются механизмы трансмембранного об-мена ионов водорода с ионами натрия и калия.
ВИДЫ НАРУШЕНИЙ КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО СОСТОЯНИЯ И ИХ КОМПЕНСАЦИЯ
Суммируя и группируя все причины нарушений кислотно-основного состояния, можно выделить следующие причины:
1. Повышенное поступление кислых продуктов или недостаточность их удаления.
2. Изменение количества иона НСО3– в сторону увеличения или снижения.
3. Изменение концентрации ионов К+ в крови.
Кислотно-основное состояние 348
МЕТАБОЛИЧЕСКИЙ АЦИДОЗ
Причины
1. Повышение содержания кислот в крови
Кетоацидоз развивается при уменьшении концентрации инсулина крови, существенном недостатке углеводов в пище при достаточном потреблении белков и жиров, при отравлении алкоголем. Механизм развития кетоацидоза состоит в избыточном количестве окисляемых жирных кислот, поступающих в печень из жировой ткани (активация липолиза) либо недоста-точно эффективное сжигание "алкогольного" ацетил-SКоА.
Лактоацидоз развивается при сепсисе, кровотечении, отеке легких, сердечной недоста-точности, при этом соотношение лактат : пируват составляет 10 : 1. Причиной лактоацидоза может быть шок, вызывающий гипоксию тканей, повышение вязкости крови при остром пан-креатите, сахарном диабете, лейкемии, хроническом алкоголизме. Также выделяют идиопати-ческий лактоацидоз, причина которого не установлена.
2. Потеря бикарбонатов
Потери бикарбонатов возможны вместе с кишечным, панкреатическим и билиарным сек-ретами при диареях и фистулах кишечника и желчного пузыря, дренировании поджелудочной железы.
Из лекарственных средств наибольший эффект имеют ингибиторы карбоангидразы, пре-пятствующие реабсорбции бикарбонатов.
3. Недостаточное удаление ионов Н+ почками
В данном случае существуют органические причины – уменьшение числа функциони-рующих нефронов при хронической почечной недостаточности или поражение канальцев. Также причиной задержки ионов Н+ является уменьшение количества натрия в первичной моче, что ограничивает антиперенос ионов Na+ и H+, и снижение фосфатов в крови, которые связывают и выводят ионы Н+.
Компенсация
1. Действие вне- и внутриклеточных буферных систем
o внеклеточные буферы – карбонатный и гемоглобиновый,
o костная ткань обеспечивает нейтрализацию ионов водорода бикарбонатами – при экспе-риментальной нагрузке кислотами ее доля составляет до 40%. Процесс сопровождается выходом кальция в кровь,
o обмен ионов Н+ и К+ через плазматическую мембрану любых клеток.
2. Дыхательная система. Дыхательная система работает в тесной взаимосвязи с бикарбонат-ной буферной системой согласно уравнению
Н+ + HCO3– ↔ Н2СО3 ↔ Н2О + СО2
Закисление среды стимулирует дыхательный центр и возникает компенсаторная гипер-вентиляция. Гипервентиляция выводит избыток СО2 и снижает рСО2, что нормализует отно-шение НСО3– : Н2СО3=20 : 1.
3. Почечные механизмы (при внепочечных нарушениях)
o накопление Н+ повышает активность глутаминазы и аммониегенез до 250 ммоль/сут (норма 30-50 ммоль/сут),
o усиление синтеза ионов НСО3– в реакциях ацидо- и аммониегенеза и переход его в плазму,
o максимальная реабсорбция НСО3–.
4. Задействуется костная ткань, в обмен на ионы Н+ в кровь высвобождаются ионы кальция.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 349
МЕТАБОЛИЧЕСКИЙ АЛКАЛОЗ
Причины
1. Эндогенный синтез и повышенная секреция в кровь ионов НСО3–:
o обкладочными клетками желудка при неукротимой рвоте, фистуле желудка, кишечной непроходимости,
o клетками почечного эпителия в результате повышения эффектов альдостерона, при гипо-волемии, при использовании петлевых диуретиков (фуросемид, тиазиды).
2. Создание высоких концентраций ионов НСО3– при внутривенном введении щелочных растворов, при постгиперкапническом состоянии.
Компенсация
1. Реакция дыхательной системы, направленная на снижение частоты и глубины дыхания.
Гиповентиляция повышает концентрацию рСО2. Благодаря этому емкость карбонатного буфера возрастает и соотношение НСО3–/Н2СО3 нормализуется до 20.
2. Реакция почек. Способность реабсорбировать НСО3– имеет пороговое значение, поэтому весь избыток НСО3– (выше 25 ммоль/л) после фильтрации выводится с мочой. При алка-лозе и фильтрации избытка НСО3– величина рН в конечной моче может возрастать до 8.
РЕСПИРАТОРНЫЙ АЦИДОЗ
Причины
Причиной являются нарушение вентиляции легких:
o повреждения или заболевания легких (пневмония, фиброз, отек легких, инородное тело),
o повреждения или заболевания дыхательных мышц (нехватка калия, боли после операции, травмы, накопление жировых отложений),
o угнетение дыхательного центра (опиаты, барбитураты), неправильный режим ИВЛ,
o бронхиальная астма, эмфизема, бронхит.
При недостаточной вентиляции легких рСО2 способен достичь 140-150 мм рт.ст.
Компенсация
1. В основном компенсацию осуществляют почечные реакции:
o усиление ацидо- и аммониегенеза, создающих резерв ионов НСО3– и удаляющие избыток ионов Н+,
o максимально возможная реабсорбция HCO3–.
2. Задействуется костная ткань, в обмен на ионы Н+ в кровь высвобождаются ионы кальция.
3. Бикарбонатная и гемоглобиновая буферные системы неэффективны, т.к. имеется наруше-ние работы дыхательной системы.
РЕСПИРАТОРНЫЙ АЛКАЛОЗ
Причины
1. Возбуждение дыхательного центра. Причин этого возбуждения может быть несколько:
o изолированный ацидоз церебральной жидкости, который является остаточным явлением после компенсированного ацидоза крови.
СО2 легко проходит через гематоэнцефалический барьер, а ионы НСО3– – плохо. Поэтому при быстрой компенсации КОС крови ацидоз цереброспинальной жидко-сти сохраняется и дыхательный центр стимулируется еще некоторое время,
o субарахноидальное кровотечение, при этом происходит стимуляция дыхательного цен-тра продуктами гемолиза,
o при циррозе печени и сепсисе происходит стимуляция дыхательного центра токсинами и циркулирующими вредными метаболитами.
2. Лихорадочные состояния.
3. Неправильный режим искусственной вентиляции легких.
Кислотно-основное состояние 350
Компенсация
1. В основном компенсацию осуществляют почечные реакции:
o замедление скорости ацидо- и аммониегенеза, что снижает количество ионов НСО3– и препятствует избыточности ионов Н+,
o способность реабсорбировать НСО3– имеет пороговое значение, поэтому весь избыток НСО3– (выше 25 ммоль/л) после фильтрации выводится с мочой.
2. Бикарбонатная и гемоглобиновая буферные системы неэффективны, т.к. имеется наруше-ние работы дыхательной системы.
ВОДНЫЙ БАЛАНС
ИСТОЧНИКИ ВОДЫ
Существуют два источника воды для клеточного метаболизма:
1. Вода, образуемая в процессе катаболизма и при окислительном фосфорилировании – мета-болическая вода, в среднем 400 мл.
При окислении 1 г триацилглицеролов образуется 1,09 г воды, при окислении 1 глюкозы – 0,58 г воды.
2. Вода, поступающая с пищей – в сутки во взрослый организм должно поступать в виде чи-стой воды (!) не менее 1,5 л из расчета 25-30 мл/кг веса. Дополнительно может поступить с напитками, жидкой и твердой пищей еще до 1,5 л. У ребенка первого года жизни суточная потребность в воде составляет 100-165 мл/кг веса, это связано с большим количеством экстрацеллюлярной жидкости и легкостью ее потери при воздействиях на организм.
ВЫВЕДЕНИЕ ВОДЫ
Выведение воды осуществляется несколькими системами:
1. Легкие. Вода выводится незаметно для человека с выдыхаемым воздухом, это неощутимые потери (в среднем 400 мл/сут). Доля выводимой воды может возрастать при глубоком ды-хании, дыхании сухим воздухом, при гипервентиляции, искусственной вентиляции легких без учета влажности воздуха.
2. Кожа. Потери через кожу могут быть
o неощутимые – при этом выводится практически чистая вода (500 мл/сут),
o ощутимые – потоотделение при повышении температуры тела или среды, при физиче-ской работе (до 2,0 литров в час).
3. Кишечник – теряется 100-200 мл/сут, количество возрастает при рвоте, диарее.
4. Почки выводят до 1000-1500 мл/сут. Скорость выделения мочи у взрослого 40-80 мл/ч, у детей – 0,5 мл/кгч.
В нормальных условиях вода из организма выделяется в количестве, соответствующем объему принимаемой жидкости. При этом некоторая ее часть выделяется независимо от уровня водного рациона – облигатная потеря воды (около 1400 мл в сутки). Сюда относится удаление воды с потом, выдыхаемым воздухом, испражнениями и мочой. Доля теряемой через почки воды, даже с максимально концентрированной мочой, составляет 50% всех потерь.
При добровольном или вынужденном недостатке воды, при сухом голодании развива-ется отрицательный водный баланс.
Минимальные потери жидкости, мл
Поступление эндогенной воды, мл
С мочой
500
Метаболическая вода
200
Через легкие и кожу
900
Вода из клеток
500
Итого
1400
Итого
700
Снижение содержания воды в теле человека на 10% опасно для жизни, на 20% – несов-местимо с жизнью. Без воды можно прожить 7-10 дней, для детей этот срок существенно ниже – не более 2 дней.
РЕГУЛЯЦИЯ ВОДНОГО БАЛАНСА
В организме за сохранение воды ответственны две системы:
Водный баланс 352
1. Антидиуретический гормон (вазопрессин) – его секреция и синтез возрастает при:
o активации барорецепторов сердца в результате снижения давления крови, при уменьше-нии внутрисосудистого объема крови на 7-10%,
o возбуждении осморецепторов гипоталамуса и портальной системы печени при нараста-нии осмоляльности внеклеточной жидкости даже менее чем на 1% (при обезвоживании, почечной или печеночной недостаточности),
В эпителиоцитах дистальных канальцев почек и собирательных трубочек гормон стиму-лирует синтез и встраивание аквапоринов в апикальную мембрану клеток и реабсорбцию воды.
2. Ренин-ангиотензин-альдостероновая система – активируется при уменьшении дав-ления в почечных приносящих артериолах или снижение концентрации ионов Na+ в моче ди-стальных канальцев. Конечная цель работы данной системы – усилить реабсорбцию натрия в конечных отделах нефрона. Это влечет за собой увеличение потока воды в клетки тех же от-делов. Потери воды вызываются низкой активностью вышеуказанных систем.
3. Натрий-уретический пептид – вазодилатирующий и натрийуретический гормон, вы-рабатываемый в секреторных миоцитах предсердий и желудочков. Уровень пептида возрас-тает под влиянием растяжения предсердий, например, в результате застойной сердечной не-достаточности, хронической почечной недостаточности и т.п.
Натрийуретический пептид усиливает выведение ионов Na+ и воды и снижает давление за счет:
o повышения скорости клубочковой фильтрации,
o торможения реабсорбции ионов Na+ и Cl– в проксимальных канальцах и повышения их экскреции, что снижает реабсорбцию воды,
o снижения сердечного выброса и повышения коронарного тонуса,
o ингибирования секреции ренина, эффектов ангиотензина II и альдостерона,
o увеличения проницаемости гистогематических барьеров и увеличения транспорта воды из крови в тканевую жидкость,
o расширения артериол и снижения тонуса вен.
БИОХИМИЯ ПЕЧЕНИ
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 промежуточ-ного 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 поло-сти, проходит к центру печеночной дольки по общей для них разветвленной сети капилляров между рядами гепатоцитов, называемой синусоидами. Синусоиды соприкасаются с каждым гепатоцитом. В отличие от капилляров других тканей синусоиды не имеют базальной мем-браны, их стенка представлена только эндотелиальными клетками. Между эндотелием и ге-патоцитами 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.
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.
Ьиохимия печени 354
ФУНКЦИИ ПЕЧЕНИ
1. Пищеварительная – печень является крупнейшей пищеварительной железой. Она об-разует желчь, включающую воду (82%), желчные кислоты (12%), фосфатидилхолин (4%), хо-лестерол (0,7%), прямой билирубин, белки, продукты распада стероидных гормонов, электро-литы и другие соединения крови, лекарственные средства и их метаболиты.
Желчь обеспечивает эмульгирование и переваривание жиров пищи, стимулирует пери-стальтику кишечника.
Из крови воротной вены желчные кислоты поглощаются симпортом с ионами Na+. В желчный капилляр синтезированные de novo и используемые вторично желчные кислоты сек-ретируются АТФ-зависимым транспортом.
2. Экскреторная функция, близка к пищеварительной – с помощью желчи выводятся билирубин, немного креатинина и мочевины, 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 не-которых белков других фракций, белков свертывающей системы, липопротеинов, глюкозы, кетоновых тел, 25-оксикальциферола, креатина.
4. Депонирующая – здесь находится место депонирования энергетических резервов гли-когена, накапливаются минеральные вещества, особенно железо, витамины A, D, K, B12 и фо-лиевая кислота.
5. Метаболическая функция (подробно см ниже)
6. Обезвреживающая функция (подробно см ниже)
МЕТАБОЛИЧЕСКАЯ ФУНКЦИЯ
Печень является центральным органом метаболизма.
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
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 355
вены достигает 20 ммоль/л. Запасы гликогена в печени составляют от 30 до 100 г. При кратко-временном 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, необхо-димого 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 использу-ется 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 диа-бет I типа, богатая жирами диета – в печени активируется синтез кетоновых тел, используе-мых 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 гепа-тоцитов, но и идущие на "экспорт" – альбумины, многие глобулины, ферменты крови, а также фибриноген и факторы свертывания крови.
Аминокислоты подвергаются катаболическим реакциям с трансаминированием и дез-аминированием, декарбоксилированию с образованием биогенных аминов. Происходят реак-ции синтеза холина и креатина благодаря переносу метильной группы от аденозилметио-нина. В печени идет утилизация избыточного азота и включение его в состав мочевины.
Реакции синтеза мочевины теснейшим образом связаны с циклом трикарбоновых кис-лот.
Ьиохимия печени 356
Пигментный обмен
Участие печени в пигментном обмене заключается в превращении гидрофобного били-
рубина 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:
o по концентрации глюкозы крови,
o по крутизне кривой теста толерантности к глюкозе,
o по "сахарной" кривой после нагрузки галактозой,
o по величине гипергликемии после введения гормонов (например, адреналина).
Роль в липидном обмене рассматривается:
o по уровню в крови триацилглицеролов, холестерола, ЛПОНП, ЛПНП, ЛПВП,
o по коэффициенту атерогенности:
Общий холестерин - Холестерин ЛПВП
Коэффициент атерогенности =
Холестерин ЛПВП
Белковый обмен оценивается:
o по концентрации общего белка и его фракций в сыворотке крови,
o по показателям коагулограммы,
o по уровню мочевины в крови и моче,
o по активности ферментов АСТ и АЛТ, ЛДГ-4,5, щелочной фосфатазы, глутаматдегидро-
геназы.
Пигментный обмен оценивается:
o по концентрации общего и прямого билирубина в сыворотке крови.
О Б Е З В Р Е Ж И В А Ю Щ А Я Ф У Н К Ц И Я
Обезвреживание (детоксикация, биотрансформация) естественных метаболитов и чуже-
родных соединений (ксенобиотиков) непрерывно протекает в любом организме.
Для попадания токсичных и чужеродных веществ существует три пути: желудочно-ки-
шечный тракт, легкие и кожа. Далее эти вещества либо могут подвергнуться каким-либо пре-
вращениям (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
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 357
система, жировая ткань и т.п.), либо подвергается биотрансформации в печени. После превра-щений в печени модифицированное соединение направляется либо в желчь и далее в фекалии, либо в кровь и мочу.
Кожа также является органом выделения, однако обычно эта функция проявляется слабо. Однако при нарушении выделительной функции почек и печени нагрузка на кожу возрастает.
Ксенобиотики – вещества, которые не используются как источник энергии, не встраи-ваются в структуры организма и не используются для пластических целей.
Например, биотрансформации в печени подвергаются следующие вещества:
o стероидные и тиреоидные гормоны, инсулин, адреналин,
o продукты распада гемопротеинов (билирубин),
o продукты жизнедеятельности микрофлоры, всасывающихся из толстого кишечника – ка-даверин (производное лизина), путресцин (производное аргинина), крезол и фенол (производное фенилаланина и тирозина) и других токсинов,
o ксенобиотики (токсины, лекарственные вещества и их метаболиты).
В целом все реакции биотрансформации делят на две группы или фазы:
o реакции I фазы – реакции превращения исходного вещества в более полярный метабо-лит путем введения или раскрытия функциональной группы (-ОН, -NH2, -SH). Эти ме-таболиты часто неактивны, хотя в некоторых случаях активность не исчезает, а только изменяется. Если эти метаболиты достаточно полярны, они могут легко экскретиро-ваться,
o реакции II фазы – отличительным признаком этой фазы являются реакции конъюгации с глюкуроновой, серной, уксусной кислотами, с глутатионом или аминокислотами.
Оба типа реакций совершенно самостоятельны и могут идти независимо друг от друга и в любом порядке. Для некоторых веществ после реакций I и II фазы вновь могут наступить реакции фазы I.
Ьиохимия печени 358
РЕАКЦИИ МИКРОСОМАЛЬНОГО ОКИСЛЕНИЯ
Реакции микросомального окисления относятся к реакциям фазы I и предназначены для придания гидрофобной молекуле полярных свойств и/или повышения ее гидрофильности, усиления реакционной способности молекул для участия в реакциях II фазы.
Ферменты микросомального окисления располагаются в гладком эндоплазматическом ретикулуме и являются оксидазами со смешанной функцией (монооксигеназами). Они ор-ганизуют короткие цепи, которые заканчиваются цитохромом P450.
В природе существует до 150 изоформ цитохрома Р450, окисляющих около 3000 различ-ных субстратов. У млекопитающих идентифицировано 13 подсемейств цитохрома Р450. Счи-тается, что ферменты одних семейств участвуют в биотрансформации ксенобиотиков, других – метаболизируют эндогенные соединения (стероидные гормоны, простагландины, жирные кислоты и др.).
Основными реакциями, осуществляемыми цитохромом Р450, являются:
o окислительное деалкилирование, сопровождающееся окислением алкильной группы (при атомах N, O или S) до альдегидной и ее отщеплением,
o окисление (гидроксилирование) неполярных соединений с алифатическими или арома-тическими кольцами,
o окисление спиртов до соответствующих альдегидов.
Работа цитохрома Р450 обеспечивается двумя ферментами:
1. НАДН-цитохром b5-оксидоредуктаза, содержит ФАД,
2. НАДФН-цитохром Р450-оксидоредуктаза, содержит ФМН и ФАД.
Оба фермента получают электроны от соответствующих восстановленных эквивалентов и передают их на цитохром Р450. Этот белок, предварительно присоединив молекулу восста-новленного субстрата, связывается с молекулой кислорода. Получив еще один электрон, он осуществляет окисление субстрата¸ способствуя появлению (усилению) у нее гидрофильно-сти, и восстанавливает второй атом кислорода до воды.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 359
Существенной особенностью микросомального окисления является способность к ин-дукции, т.е. увеличению мощности процесса. Индукторами являются вещества, активирую-щие синтез цитохрома Р450 и транскрипцию соответствующих мРНК.
Они бывают
1. Широкого спектра действия, которые обладают способностью стимулировать синтез цито-хрома Р450, НАДФН-цитохром Р450-оксидоредуктазы и глюкуронилтрансферазы. Класси-ческим представителем являются производные барбитуровой кислоты – барбитураты, также в эту группу входят диазепам, карбамазепин, рифампицин и др.
2. Узкого спектра действия, т.е. стимулируют одну из форм цитохрома Р450 – ароматические полициклические углеводороды (метилхолантрен, спиронолактон), этанол.
Ингибиторы микросомального окисления связываются с белковой частью цитохрома или с железом гема. Они делятся на:
1. Обратимые
o прямого действия – угарный газ (СО), антиоксиданты,
o непрямого действия, т.е. влияют через промежуточные продукты своего метаболизма, которые образуют комплексы с цитохромом Р450 – эритромицин.
Ьиохимия печени 360
2. Необратимые ингибиторы – аллопуринол, аминазин, прогестерон, оральные контрацеп-тивы, тетурам, фторурацил,
Оценку микросомального окисления можно проводить следующими способами:
o определение активности микросомальных ферментов после биопсии,
o по фармакокинетике препаратов,
o с помощью метаболических маркеров (антипирин).
Антипириновая проба
Обследуемый принимает утром натощак амидопирин из расчета 6 мг/кг веса. Собирается 4 порции мочи в интервале соответственно от 1 до 6 часов, 6-12, 12-24 и 45-48 часов. Объем мочи измеряется. Не позже, чем через 24 часа моча центрифугируется или фильтруется. Далее исследуется концентрация 4-аминоантипирина и его метаболита N-ацетил-4-аминоантипи-рина в моче.
РЕАКЦИИ КОНЪЮГАЦИИ
Продукты метаболизма чужеродных веществ, образовавшихся в первой фазе биотранс-формации, подвергаются дальнейшей детоксикации с помощью ряда реакций второй фазы.
Соединения, обладающие активными группами, в гепатоцитах связываются с глутатио-ном, глюкуроновой, серной и уксусной кислотами, с глицином, глутамином, также могут ме-тилироваться. Конечная цель этих взаимодействий – маскировка токсичных групп в составе молекулы и придание ей большей гидрофильности.
Наиболее активны в печени реакции конъюгации, катализируемые глутатион-S-транс-феразой, сульфотрансферазой и УДФ-глюкуронилтрансферазой. Конъюгаты веществ с глутатионом, серной и глюкуроновой кислотами выводятся из организма преимущественно с мочой.
biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по общей биохимии (2020г) 361
Конъюгацию с глутатионом, приводящую к образованию меркаптуровых кислот, при-нято рассматривать в качестве основного механизма детоксикации. Глутатион представляет собой трипептид.
БИОТРАНСФОРМАЦИЯ С ОБРАЗОВАНИЕМ ТОКСИЧНЫХ ПРОДУКТОВ
Реакции биотрансформации обеспечивают превращение молекул в полярные, гидро-фильные вещества, которые лучше удаляются с мочой. Но иногда такие соединения не деток-сицируются, а наоборот, становятся более реакционно способными и являются более токсич-ными, чем их предшественники. В обычных условиях подобные ситуации встречаются редко и не выражены, т.к. мощности систем конъюгации и окисления достаточно. Однако при суб-стратной перегрузке этих систем, их истощении или при заболеваниях печени доля подоб-ных реакций возрастает и может иметь клиническое значение, что выражается в органоток-сичности и химическом канцерогенезе.
Органотоксичность
В качестве примера рассмотрим метаболизм парацетамола. Обычно парацетамол (ацета-минофен) большей частью конъюгирует с глюкуроновой и серной кислотами и небольшая его доля окисляется цитохромом Р450 и далее связывается с глутатионом. При неблагоприятных ситуациях доля окисленного парацетамола возрастает, и он начинает взаимодействовать с кле-точными белками, ингибируя их и вызывая гибель клеток.
Ьиохимия печени 362
Химический канцерогенез
В настоящее время насчитывают до 150 соединений, могущих вызвать онкологические заболевания, им приписывают от 5% до 20% случаев всех опухолей. Все канцерогены подраз-деляют на:
o природные, например, вулканический дым и пепел, металлы (мышьяк, ртуть),
o 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 про-канцерогены, когда безвредное соединение, подвергаясь превращениям, становится токсич-ным.
По одной из теорий канцерогенеза, развитие раковых заболеваний стимулируют арома-тические соединения, подвергающиеся микросомальному окислению. К примеру, находя-щийся в каменноугольной смоле бензантрацен после окисления цитохромом Р450 превраща-ется в канцерогенные эпоксид и бензантрацендиол.