/
Автор: Скоробогатова З.М. Турсунова Ю.Д. Зинкович И.И. Матвиенко А.Г. Ниженковская И.В. Хомутов Е.В.
Теги: продукты основной химической технологии материальные основы жизни биохимия молекулярная биология биофизика биофизика, биохимия и физиология животных и человека химия биология биологические науки
Год: 2012
Текст
МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ УКРАИНЫ
ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. М.ГОРЬКОГО
ДОНЕЦК 2012
УДК 6612.015+577.1 (075.8)
ББК 28.9
563
Утверждено Учёным Советом Донецкого национального
медицинского университета им. М. Горького (протокол № от 25.05.2012)
А в т о р ы:
З.М.Скоробогатова, Ю.Д.Турсунова, И.И.Зинкович, А.Г.Матвиенко,
И.В.Ниженковская, Е.В.Хомутов, Е.М.Бакурова, О.П.Шатова,
Я.Г.Жебеленко, М.А.Сташкевич, С.А.Зуйков.
Биохимия в рисунках и схемах
Учебно-наглядное электронное пособие для студентов медицинских
ВУЗов. – Донецьк, 2012. – 215 с.
Учебно-наглядное электронное пособие по биологической химии для студентов
высших фармацевтических и медицинских учебных заведений III - IV уровней аккредитации
подготовленный сотрудниками кафедры химии которые имеют значительный опыт преподавания
биоорганической и биологической химии на фармацевтическом факультете Донецкого
национального медицинского университета им. М.Горького. Пособие состоит из отдельных
разделов, посвященных биохимии ферментов, витаминам, энергетическому обмену, общим путям
катаболизма, обмену углеводов, липидов, белков, нуклеотидов, основам молекулярной биологии, а
также биохимии гормонов, крови и печени. В соответствующих разделах учебного пособия
предоставленная наглядная информация в виде цветных иллюстраций и схем о структуре,
функциях, биохимических преобразованиях органических молекул в организме человека.
Объясняются причины возможных нарушений метаболеских процессов в организме человека, а
также показанные механизмы действия ряда лечебных средств, созданных на основании знаний о
структурах биоорганических соединений и биохимии обмена веществ.
УДК 6612.015+577.1 (075.8)
ББК 28.9
563
СОДЕРЖАНИЕ
РАЗДЕЛ 1. ЭНЗИМОЛОГИЯ.
I. Общая характеристика ферментов …………………………………………….5
II. Классификация ферментов ……………………………………………...…….5
III. Строение ферментов …………………………………………………….…....6
IV. Функциональная организация ферментов …………………………….…….6
V. Свойства ферментов …………………………………...………………………7
VI. Изоферменты ………………………………………………………………….9
VII. Полиферментные системы ……………………………………….………….9
VIII. Общие представления о катализе ………………………………………...10
IX. Механизм дейcтвия ферментов ………………………………………...…...11
X. Кинетика ферментативных реакций …………………………………...…... 12
XI. Регуляция активности ферментов……………………………………….…. 13
XII. Активация ферментов………………………………………………..…….. 13
XIII. Ингибирование ферментов ………………………………………………. 16
XIV. Применение ферментов в медицине …………………………………….. 18
РАЗДЕЛ 2. ВИТАМИНЫ……………………………………………………… 20
Классификация и номенклатура витаминов …………………………………. 20
РАЗДЕЛ 3. ВВЕДЕНИЕ В ОБМЕН ВЕЩЕСТВ. БИОЭНЕРГЕТИКА……31
I. Сопряжение эндергонических процессов с экзергоническими…………… 32
II. Стадии катаболизма биомолекул …………………………………………....34
III. Пути потребления кислорода в реакциях биологического окисления …..36
IV. Биологическое окисление…………………………………………………....37
V. Молекулярная организация цепи переноса электронов……………………39
VI. Механизм окислительного фосфорилирования………………………….. 40
VII. Общие пути катаболизма. Окислительное декарбоксилирование
пирувата…………………………………………………………………………. 45
VIII. Цикл трикарбоновых кислот…………………………………………….. 46
РАЗДЕЛ 4. ОБМЕН УГЛЕВОДОВ…………………………………………… 50
I. Основные процессы в обмене углеводов …………………………………... 51
II. Переваривание углеводов …………………………………………………… 52
III. Синтез гликогена – гликогенез …………………………………………….. 53
IV. Распад гликогена в тканях ………………………………………………….. 55
V. Дихотомический распад глюкозы – непрямое окисление глюкозы.
Анаэробный гликолиз…………………………………………………………. 57
VI. Аэробный гликолиз и глюконеогенез. ………………………………………… 59
VII. Спиртовое брожение ………………………………………………………….. 63
VIII. Апотомический распад глюкозы – прямое окисление глюкозы(пентозофосфатный путь) ……………………………………………………………………...64
IX. Взаимопревращения моносахаров –включение других гексоз в обмен глюкозы
………………………………………………………………………………67
РАЗДЕЛ 5. ОБМЕН ЛИПИДОВ ……………………………………………….. 69
I. Основные классы липидов……………………………………………………… 69
II. Переваривания липидов ……………………………………………………….. 70
III. Транспортные формы экзогенных липидов – хиломикроны ……………. 73
IV. Внутриклеточный липолиз…………………………………………………….. 74
V. Окисление высшх жирных кислот……………………………………………… 75
VI. Метаболизм кетоновых тел……………………………………………………. 77
VII. Синтез холестерина……………………………………………………………..78
VIII. Липопротеиды – транспортные формы липидов …………………………… 80
IX. Биосинтез липидов – липогенез ……………………………………………….. 82
X. Патология липидного обмена…………………………………………………… 87
РАЗДЕЛ 6. ОБМЕН ПРОСТЫХ БЕЛКОВ……………………………………… 89
I. Переваривание белков…………………………………………………………….. 91
II. Пути превращения аминокислот………………………………………………… 95
III. Обмен аммиака…………………………………………………………………... 98
IV. Пути обезвреживания аммиака……………………………………………….... 99
V. Декарбоксилирование аминокислот…………………………………………… 104
VI. Особенности обмена ароматических аминокислот в разных тканях……… . 106
VII. Обмен глицина и серина ……………………………………………………... 107
РАЗДЕЛ 7. ОБМЕН НУКЛЕОТИДОВ………………………………………… 109
I. Переваривание нуклеопротеинов ……………………………………………… 110
II. Биосинтез пуриновых нуклеотидов …………………………………………… 111
III. Распад пуриновых нуклеотидов ……………………………………………… 114
IV. Синтез пиримидиновых нуклеотидов ……………………………………….. 116
РАЗДЕЛ 8. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ГЕНЕТИКИ …………………… 119
I. Репликация (биосинтез ДНК) …………………………………………………... 121
II. Репарация ………………………………………………………………………. 129
III. Генные мутации ………………………………………………………………..130
IV. Молекулярные основы транскрипции …………………………………... 131
V. Трансляция - биосинтез белка …………………………………………... 138
VI. Посттрансляционная модификация белков …………………………….. 141
VII. Действие антибиотиков на биосинтез белка …………………………... 143
РАЗДЕЛ 9. ВВЕДЕНИЕ В ЭНДОКРИНОЛОГИЮ ……………………... 145
I. Классификация гормонов ………………………………………………….. 147
II. Механизмы взаимодействия гормонов с клеткой ……………………….. 148
III. Гормоны гипоталамо-гипофизарной системы ………………………….. 154
IV. Гормоны щитовидной железы …………………………………………... 160
V. Гормоны поджелудочной железы ………………………………………… 164
VI. Гормоны мозгового вещества надпочечников………………………….. 169
VII. Стероидные гормоны…………………………………………………….. 170
VIII. Гормональная регуляция обмена кальция……………………………... 180
IX. Эйкозаноиды ………………………………………………………………. 183
X. Изменение метаболизма в зависимости от режима питания …………... 185
РАЗДЕЛ 10. БИОХИМИЯ КРОВИ ……………………………………….. 188
I. Белки плазмы крови ………………………………………………………… 190
II. Небелковые азотистые вещества крови …………………………………... 193
III. Кислотно-основное состояние крови …………………………………… 194
IV. Буферные системы крови ………………………………………………… 195
V. Свертывающая система крови ……………………………………………. 198
VI. Фибринолиз …………………………………………………………….…. 201
VII. Противосвертывающая система ………………………………………… 202
VIII. Обмен хромопротеинов ………………………………………………… 203
IX. Биосинтез и распад гемоглобина ………………………………...……… 204
РАЗДЕЛ 11. БИОХИМИЯ ПЕЧЕНИ ………………………………….....…207
I. Регуляция углеводного обмена………………………………………………..…. 208
II. Регуляция липидного обмена…………………………………………………… 209
III. Регуляция белкового обмена…………………………………………… ……... 210
IV. Обезвреживающая функция печени…………………………………………… 211
РАЗДЕЛ 1. ЭНЗИМОЛОГИЯ
“Медицина говорит на языке энзимологии” (А. Браунштейн).
I. Общая характеристика ферментов.
Ферменты (энзимы) - это биологические катализаторы белковой природы,
которые ускоряют химические реакции в клетке.
Ферменты, благодаря своей белковой природе, отличаются от других
катализаторов тремя уникальными свойствами:
высокой эффективностью;
специфичностью действия;
способностью к регуляции.
Доказательства белковой природы ферментов:
денатурируют под действием химических и
физических факторов;
при гидролизе распадаются на аминокислоты;
обладают амфотерными свойствами;
обладают электрофоретической подвижностью;
не подвергаются диализу через
полупроницаемую мембрану;
осаждаются высаливанием;
имеют большую молекулярную массу;
обладают высокой специфичностью;
прямое доказательство - синтез белков-ферментов.
Первичная структура первого
синтезированного
белка
фермента рибонуклеазы (1969г)
II. Классификация ферментов
В основе классификации лежит тип катализируемой реакции
Класс
Тип катализируемой реакции
1. Оксидоредуктазы
Окислительно-восстановительные реакции
Авосст + Ввосст
Аокис + Ввосст
2. Трансферазы
Перенос групп атомов от донорной молекулы к акцепторной
А-Х + В
А + В-Х
Гидролиз связей
А-В + Н2О
А-Н + В-ОН
Разрыв связей между атомами С, О, N, S способом, отличным
от гидролиза или окисления
А(Х)-В(Y)
AX + BY
Взаимопревращение изомеров
А
изоА
Образование связей в реакции соединения двух молекул
(используется энергия АТФ)
АДФ
АТФ
5
А+В
А-В
3. Гидролазы
4. Лиазы
5. Изомеразы
6. Лигазы
(синтетазы)
Вещество, на которое действует энзим (Е), называется субстрат (S), в результате
ферментативной реакции образуется продукт (Р):
S
Р
Е
III. Строение ферментов
ферменты
сложные
ферменты
простые
ферменты
апофермент
кофактор
• По структуре ферменты делятся на простые и сложные.
Простые ферменты представлены только полипептидными цепями и при гидролизе
дают только аминокислоты (например, ферменты ЖКТ: пепсин, липаза, амилаза) .
Сложные ферменты кроме белковой части - апофермента, имеют также небелковый
компонент - кофактор.
Если кофактор прочно связан с белковой частью и не отделяется при выделении
фермента, он называется простетической группой (например, ионы металлов), а весь
сложный фермент - холоферментом.
Если кофактор легко диссоциирует, он называется коферментом (часто это
производные витаминов). В сложных ферментах ни кофактор, ни белковая молекула в
отдельности каталитической активностью не обладают.
IV. Функциональная организация ферментов
Белковая природа ферментов определяет их функциональные особенности. Прежде
всего, это макромолекулы, как правило, значительно превышающие по размерам
реагирующие вещества, т.е. субстраты. Поэтому ферменты работают не всей своей
поверхностью, а только частью - активным центром.
6
Активный центр - это участок молекулы фермента
(уникальная комбинация аминокислотных остатков),
непосредственно
участвующая
в
катализе.
Эти
аминокислотные остатки находятся в разных местах
полипептидной цепи, но при пространственной укладке
(т.е. при образовании трехмерной третичной структуры)
они сближаются, образуя активный центр. Таким образом,
активный центр формируется на уровне третичной
структуры, поэтому денатурация ведет к потере
каталитической активности.
В активный центр входят следующие функциональные группы:
• СООН - дикарбоновых аминокислот и концевые;
• амино-группы лизина и концевые;
• фенольные группы тирозина;
• ОН-группы серина и треонина;
• SH-группы цистеина и дисульфидные
• мостики цистина;
• индольные — триптофана;
• гуанидиновые – аргинина;
• имидазольные – гистидина;
• тиоэфирные – метионина;
• гидрофобные - алифатических аминокислот и ароматическое кольцо фенилаланина.
Если белок сложный, то его небелковый компонент входит в состав активного центра.
В активном центре выделяют:
•контактный (якорный) участок - для узнавания и связывания субстрата, т.е.
формирования фермент-субстратного комплекса;
•каталитический участок - непосредственно вступающий в химическое
взаимодействие с субстратом.
Первоначальная модель активного центра, предложенная Э.Фишером, трактовала
взаимодействие фермента и субстрата, как “ключ - замок”, т.е. образование ферментсубстратного комплекса (ЕS) как жесткой структуры. Однако, в молекуле белкафермента
жесткие участки чередуются с гибкими, поэтому предпочтительной
является теория индуцированного соответветствия, предложенная позднее
Д.Кошландом, подразумевающая гибкость каталитического центра. Субстрат
индуцирует конформационные изменения активного центра фермента, подстраивая его
под себя. Фермент, в свою очередь, также может заставлять субстрат подстраиваться к
себе.
S
ES
E
V. Свойства ферментов
1. Зависимость активности фермента от температуры (термолабильность)
v
В некотором ограниченном интервале скорость реакции
40
повышается с ростом температуры.,
т.к. увеличивается
кинетическая
энергия
молекул.
При
оптимальной
температуре (40◦С)
скорость ферментативной реакции
максимальна. При дальнейшем повышении температуры
t° наступает денатурация фермента и реакция останавливается.
7
2. Влияние рH на скорость ферментативной реакции
v
Эта зависимость определяется следующими факторами:
денатурацией фермента при очень высоких или очень
низких рH;
изменением величины заряда субстрата или фермента.
Т.к. в активном центре фермента есть группы, способные к
ионизации, то изменение рH влечет изменение степени
ионизации функциональных групп, что может вызвать
конформационные изменения в ферменте, и, следовательно,
рН изменение его активности.
3. Специфичность действия ферментов
А. Специфичность пути превращения. Функциональные группы активного центра
способны химически превращать субстрат в определенный продукт, а не в
произвольный, например, один и тот же субстрат (аминокислота гистидин) может
превращаться в разные продукты (кетокислота или амин), в зависимости от того,
какой действует фермент (гистидаза или декарбоксилаза):
гистидин
NН3
СО2
дека
рбок
сила
з
кетокислота
а
гистамин
В.Субстратная специфичность - способность фермента связываться с
определенным субстратом благодаря уникальной структуре активного центра.
комплиментарной именно данному субстрату.
Различают следующие виды субстратной специфичности:
1.Абсолютная специфичность - способность фермента катализировать превращение
только одного субстрата. например, аргиназа расщепляет только аргинин.
2.Относительная специфичность - способность фермента катализировать
однотипные превращения группы субстратов, сходных по строению. Например,
липаза катализирует липолиз (гидролиз липидов), пепсин - протеолиз (гидролиз
протеинов).
3.Стереоспецифичность - способность фермента действовать только на
определенный стереоизомер, напимер, оксидаза D-аминокислот не может действовать
на их стереоизомеры (L-аминокислоты).
8
VI. Изоферменты
Множественные формы ферментов - это группа ферментных белков, отличающихся
друг от друга по физико-химическим свойствам, сродству к субстрату, но
катализирующих одну и ту же реакцию.
Среди множественных форм ферментов выделяют изоферменты, у которых физикохимические различия имеют генетическое происхождение. Содержание отдельных
изоферментов в разных клетках и даже органах неодинаково, что позволяет их
использовать для дифференциальной диагностики поражений указанных органов.
Например,
лактатдегидрогеназа (ЛДГ) –
сложный
фермент
с
четвертичной
структурой,
которая представлена четырьмя
субъединицами двух типов:
Н и М. Комбинация этих
субъединиц
(полипептидных
цепей) дает пять изоферментных
форм фермента.
ЛДГ1
Сутки после инфаркта
Н Н
Н Н
Н Н
Н
ЛДГ1
Н Н
М
М
М
ЛДГ3
ЛДГ2
М
Н
М
М
М
М
М
М
ЛДГ5
ЛДГ4
Эти изоферменты имеют разную скорость движения
в электрическом поле, поэтому их можно разделить с
помощью электрофореза.
Они органоспецифичны, т.е. локализованы в разных
органах: ЛДГ1 – преимущественно в сердечной
мышце, ЛДГ5 – больше в скелетной мускулатуре; в
крови их содержание в норме минимально. При
деструкции
органа
(
инфакте
миокарда)
концентрация ЛДГ1 в крови резко возрастает.
Такие ферменты или их изоферментные формы
называют индикаторными.
VII. Полиферментные системы
•Это надмолекулярные комплексы, в состав которых
входят различные ферменты, последовательно
катализирующие разные стадии одного процесса. Эти
системы работают по типу конвейера (продукт
первой реакции является субстратом для второго
фермента и т.д.), в результате происходит выигрыш в
расстоянии и во времени). Часто такие ферментные
ансамбли структурно связаны с какой-либо
органеллой клетки или мембраной.
•Например,
пируватдегидрогеназный
комплекс,
синтаза высших жирных кислот и др.
S
матрикс
P
Е3
Е2
Е1
Е4
мембрана
9
VIII. Общие представления о катализе
•Разница между свободной энергией исходных веществ и продуктов
реакции определяет вероятность протекания этой реакции.
•Если у исходных веществ она выше, то возможно самопроизвольное
протекание реакции (экзергоническая), если наоборот - реакция
энергетически невозможна (эндергоническая).
•Скорость экзергонических реакций зависит от энергетического барьера,
т.е. энергии активации - это то дополнительное количество энергии (напр.,
нагревание), которое необходимо сообщить молекулам реагирующих
веществ, чтобы они вступили в химичекую реакцию.
Катализатор (фермент) не влияет на свободную энергию исходных веществ
и продуктов, но он влияет на энергетический профиль, т.е. в присутствии
катализатора реакция идет через низкий энергетический барьер.
•Таким образом, ферменты снижают энергию активации реакции, в
результате чего скорость ферментативной реакции резко возрастает по
сравнению с неферментативной.
неферментативная
реакция
переходное
состояние
свободная энергия
энергия активации
неферментативной реакции
энергия активации
ферментативной реакции
S
исходное
состояние
ферментативная
реакция
P
конечное
состояние
ход реакции
10
IX. Механизм дейcтвия ферментов
В классическиех работах Михаэлиса и Ментен процесс ферментативного катализа
делится на три стадии:
E+S
k1
k-1
ES
ES*
EP
k2
E+P
•1. Диффузия субстрата к ферменту и образование ЕS-комплекса, проходит быстро и
обратимо.При этом реализуется точное пространственное, геометрическое,
электростатическое соответствие (комплиментарность) между активным центром
фермента и субстратом.
•2.
Преобразование первичного ES-комплекса в активированные ЕS*- проходит
медленно, идет расшатывание связей субстрата с помощью функциональных групп
фермента. При этом снижается энергия активации реакции.
•3. Отделение продуктов реакции от активного центра и диффузия их в среду.
Фермент при этом не входит в состав конечных продуктов реакции.
Эффективность ферментативного катализа объясняется следующими
молекулярными эффектами:
Ориентация реагентов
Субстрат соединяется с ферментом по меньшей мере в трех точках (трехточечнпя
фиксация), что обуславливает высокую избирательность (комплиментарность)
связывания и ориентацию субстрата и это обеспечивает увеличение скорости реакции в
сотни и тысячи раз (что невозможно при беспорядочных взаимодействиях).
Напряжение и деформация
При связывании с активным центром молекула субстрата деформируется, напрягается,
места деформации легче разрываются.
Кислотно-основный катализ
Ферменты, будучи белками, имеют в активном центре и кислые и основные группы,
поэтому могут быть как донорами, так и акцепторами протонов, что невозможно для
неорганических катализаторов. Это облегчает перестройку и разрыв связей в субстрате
(так, например, функционирует остаток аминокислоты гистидина в активном центре ,
при его блокировании фермент теряет активность).
Ковалентный катализ
Ферменты могут иметь в активном центре группы, способные образовывать
ковалентные связи с субстратом, давая неустойчивые ES-комплексы, быстро
освобождающие продукты реакции.
Как правило, для ферментов характерно сочетание всех этих механизмов, что и
обеспечивает их феноменальную активность.
11
X. Кинетика ферментативных реакций
• Исследует закономерности влияния химической природы реактантов и различных
внешних условий (рH, температура и т.д.) на скорость ферментативной реакции для
выяснения механизма биохимических процессов.
“Изучить кинетику и не выяснить механизм реакции - все равно, что найти шляпу и
потерять ее владельца” (Ингольд).
• Как было указано выше, скорость ферментативной реакции зависит от температуры,
рН среды. Кроме того, на скорость влияют конфентрация фермента (прямо
пропорционально) и концентрация субстрата.
скорость реакции V
Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата
KM
концентрация субстрата [S]
V
=
Vmax . [S]
КM + [S]
Как видно из графика, при низкой
концентрации субстрата [S] зависимость
скорости реакции V от концентрации
субстрата линейна.
При высокой концентрации субстрата
скорость реакции максимальна Vmax и не
зависит от концентрации субстрата, т.е.
наблюдается эффект насыщения фермента
субстратом.
Уравнение Михаэлиса-Ментен
описывает поведение многих ферментов в
зависимости от концентрации субстрата.
КM – константа Михаэлиса - численно равна концентрации субстрата, при которой
скорость ферментативной реакции равна половине максимальной
(КM имеет размерность концентрации).
КM
является экспериментально определяемой величиной и имеет практичекую
ценность для выяснения действия эффекторов (активаторов или ингибиторов) на
активность фермента (обратно пропорциональна активности фермента).
Более удобным для обработки результатов является
график в координатах Лайнуивера-Берка, который
представляет собой прямо пропорциональную
зависимость, что позволяет легко получить значения
константы Михаэлиса, а, следовательно, оценить
активность фермента в конкретных условиях.
12
XI. Регуляция активности ферментов
Об активности фермента судят по скорости расходования субстрата или скорости
накопления продукта.
Активность фермента определяют в стандартных условиях:
• температура - 25 С;
• рH - оптимальное значение;
• насыщающая концентрация субстрата (скорость равна максимальной);
• сложный фермент должен быт насыщен кофактором.
Международная единица активности фермента - такое количество фермента, которое
превращает 1 микромоль (мкмоль) субстрата за 1 мин в стандартных условиях.
Удельная активность - равна числу единиц фермента в образце, деленному на массу
белка в этом образце - в мкмоль/мин.мг белка
Катал (кат) количество фермента. способное превратить 1 моль субстрата в 1 с в
стандартных условиях.
Факторы, влияющие на активность ферментов:
• температура
• рH среды
• концентрация фермента
• концентрация субстрата
• наличие активаторов или ингибиторов
Таким образом, ферменты относятся к катализаторам с регулируемой активностью,
что очень важно для поддержания гомеостаза.
XII. Активация ферментов
1. Аллостерическая регуляция.
Многие ферменты являются аллостерическими. т.е.регуляторными. Кроме активного
центра они имеют аллостерический центр, находящийся в другом месте молекулы
фермента. Такие ферменты построены, как правило, из нескольких субъединиц, т.е.
имеют четвертичную структуру, при этом одна субъединица имеет активный центр. а
другая - аллостерический, служащий для связывания низкомолекулярных веществ –
аллостерических эффекторов. Структура эффектора должна быть комплиментарной
структуре аллостерического центра (так же, как структура субстрата комплиментарна
активному центру фермента).
Аллостерические эффекторы могут быть как активаторами, так и ингибиторами.
При присоединении аллостерического эффектора к регуляторной субъединице
происходит изменение ее конформации, что вызывает конформационные изменения и в
каталитической субъединице, вследствие чего активный центр становится либо более
комплиментарным
субстрату
(аллостерическая
активация),
либо
менее
(аллостерическое ингибирование).
13
•Гетеротропные аллостерические эффекторы - вещества, непохожие по химическому
строению на субстрат.
• Гомотропная аллостерическая регуляция - характерна для ферментов, имеющих
одинаковые протомеры, в каждом из которых есть активный центр. В этом случае
субстрат сам оказывается эффектором, соединяясь с одним протомером, активирует
другие.
активный центр
субстрат
аллостерический
центр
активатор
аллостерическая активация
ингибитор
аллостерическое ингибирование
2. Активация кофакторами
Наличие кофактора – необходимое условие активности сложных
ферментов. В качестве кофакторов чаще всего выступают активные
формы витаминов или ионы двух- (иногда одно-)валентных металлов.
Четверть всех ферментов нуждается в наличии металлов для проявления
активности.
Осуществляется активация разными механизмами:.
ионы металлов участвуют в формировании и стабилизации активного
центра;
ионы металлов выполняют роль простетических групп;
ионы металлов облегчают связывание субстрата с активным центром
фермента;
металл соединяется с субстратом, образуя металлосубстратный
комплекс (истинный субстрат), на который действует фермент.
14
Некоторые
металлы –
кофакторы
Cu2+
Fe2+
Fe3+
K+
Mg2+
Mn2+
Mo+
Ni2+
Se+
Zn2+
3. Частичный протеолиз - превращение неактивного фермента (зимогена или
профермента) в активный путем отщепления полипептидного участка. При этом
гидролизуется одна пептидная связь, т.е. главным является изменение первичной
структуры фермента. Характерен для протеолитических ферментов, участвующих в
переваривании белков.
Н2О
неактивный фермент
полипептидный участок
активный фермент
Это эволюционно закрепленный механизм защиты структурных белков клетки от
действия протеаз.
4. Фосфорилирование - дефосфорилирование ферментов
Ряд ферментов при фосфорилировании (введении отрицательно заряженной
фосфорной группы) под действием фермента протеинкиназы активируется, например:
АТФ АДФ
липаза
протеинкиназа
липаза
неактивная
Ф
активная
Другие ферменты активируются при дефосфорилировании:
гликогенсинтаза
гликогенсинтаза
неактивная
активная
Н2О
протеинфосфотаза
5. Ассоциация и диссоциация протомеров
Некоторые ферменты активируются присоединением или отщеплением регуляторных
субъединиц или белков-регуляторов. При этом главным является изменение
четвертичной структуры фермента.
ассоциация
диссоциация
15
XIII. Ингибирование ферментов
Изучение ингибирования дало ключ к пониманию механизма действия многих
ферментов, позволило понять суть ферментативного катализа, изучить многие
метаболический процессы. Оно имеет также прикладное значение, т.к. ингибиторы
применяются в фармакологии, фармацевтической промышленности.
Ингибиторы характеризуются прочностью связывания с субстратом, (устанавливается
диализом), поэтому делятся на две группы:
1. Необратимые ингибиторы – соединения, специфически связывают
функциональные группы фермента, образуя с ним прочные ковалентные связи.
2. Обратимые ингибиторы – образуют непрочные, нековалентные связи и могут
диссоциировать от фермента.
ингибиторы
обратимые
ингибиторы
необратимые
ингибиторы
конкурентные
ингибиторы
неконкурентные
ингибиторы
1. Конкурентное ингибирование
Е
Е
Е
Действие многих лекарственных препаратов основано на конкурентном
ингибировании.
Например, для лечения подагры, связанной с накоплением мочевой кислоты,
применяется конкурентный ингибитор ксантиноксидазы - аллопуринол, который
является структурным аналогом ксантина - промежуточного продукта в процессе
образования мочевой кислоты:
аллопуринол
_
пуриновые осования
16
ксантин
ксантиноксидаза
мочевая кислота
2. Неконкурентное ингибирование
Ингибитор (I) не имеет структурного сходства с субстратом (S) (т.е. сродства к
активному центру фермента), поэтому связывание ингибитора с ферментом часто
происходит не в активном центре, а в другой части молекулы субстрата. При этом
может образовываться тройной комплекс ESI. Устранить неконкурентное
ингибирование высокими концентрациями субстрата невозможно, для этого нужны
вещества, связывающие ингибитор.
Е
Е
Е
Неконкурентный ингибитор
уменьшает Vmax , но не изменяет
сродство фермента к субстрату
Конкурентный ингибитор
увеличивает KM, но не
изменяет Vmax
Аллостерическое ингибирование относится к неконкурентному, и часто реализуется по
типу обратной отрицательной связи, т.е. конечный продукт ряда последовательных
реакций (Рn) является ингибитором одного из ферментов, катализирующих эти реакции
(например, Е1). В этом случае ингибируется регуляторный аллостерический фермент,
который катализирует скорость определяющую (самую медленную) стадию процесса:
S
Е1
Р1
Е2
Р2
Е3
Р3
Еn
Рn
_
Иногда при продолжительном действии неконкурентного ингибитора и образовании
прочных связей с ферментом такое ингибирование становится необратимым.
Необратимые ингибиторы часто бывают токсичными.
•Например, цианиды, прочно связываясь с железом, входящим в активный центр
цитохромоксидазы, блокируют дыхательную цепь, что ведет к смерти клетки.
•Ионы тяжелых металлов очень токсичны т.к. блокируют SH-группы в активном
центре ферментов, при этом субстрат может связаться с активным центром, но
продукты не будут образовываться.
•Ингибиторы холинэстэразы, которая расщепляет ацетилхолин (нейромедиатор),
фосфорилируют каталитическую группу фермента необратимо (отравляющие
17
вещества зарин, зоман).
XIV. Применение ферментов в медицине
Применение ферментов в медицине развивается по трем основным направлениям:
Энзимопатология - исследование ферментативной активности в норме и
патологии и выявление таким образом наследственных заболеваний - энзимопатий,
связанных с генетическим дефектом. Такой дефект гена приводит к нарушению синтеза
определенного белка, если же этот белок является ферментом, это ведет к изменению
скорости катализируемой им реакции, т.е. к нарушению метаболизма.
Энзимотерапия - использование ферментов и регуляторов действия ферментов в
качестве лекарственных средств. Например, ингибиторы протеолитических ферментов
(которые в норме продуцируются поджелудочной железой в неактивном состоянии)
используются для предотвращения аутолиза поджелудочной железы при остром
панкреатите.
Энзимодиагностика - развивается по двум направлениям:
Применение высокоочищенных ферментов как аналитических реактивов, т.е. в
качестве избирательных реагентов для количественного определения химических
веществ (нормальных или патологических) в биологических жидкостях с
диагностической целью. Этот метод диагностики отличается высокой специфичностью
и чувствительностью. в клинике этими методами определяют содержание глюкозы,
лактата, ХС, ТАГ, мочевины, мочевой кислоты и др.
Обнаружение самих ферментов в сыворотке крови при поражении органов и
тканей. При этом изменение концентрации (активности) самого фермента является
скорее следствием, чем причиной патологического процесса. Такие измерения обычно
проводят в плазме, хотя ферментный анализ других биологических жидкостей, таких
как моча или сок поджелудочной железы, также может дать полезную информацию.
Большинство ферментов, определяемых в плазме, являются внутриклеточными и
освобождаются в кровь при повреждении клеточных мембран, но многие ферменты,
например, ренин, факторы свертывания крови, активно секретируются в кровь, где и
выполняют свою физиологическую функцию.
В небольших количествах внутриклеточные ферменты присутствуют в крови как
результат клеточного обновления. При повреждении клеток освобождается большое
количество ферментов, что отражается в возрастании их концентрации в крови. Это так
называемые “индикаторные ферменты”.
18
Задания для самопроверки и самокоррекции
Задача 1. У гастроэнтерологического больного понижена кислотность желудочного
сока, вследствие чего нарушено переваривание белков в желудке. Какое
свойство ферментов, переваривающих белки (в частности, пепсина)
проявляется в данном случае?
A. Зависимость активности ферментов от pН.
B. Специфичность ферментов.
C. Термолабильность ферментов.
D. Денатурация ферментов.
E. Влияние ингибиторов на активность ферментов.
Задача 2. При моделировании биохимического процесса смесь, содержащую
субстрат реакции, буферный раствор и фермент, инкубировали при 80ºС в
течение 30 минут. Качественная реакция на продукт отрицательна. Какое
свойство ферментов привело к прекращению реакции?
A. Относительная специфичность.
B. Абсолютная специфичность.
C. Стереоспецифичность.
D. Зависимость от pН.
E. Денатурация ферментов.
Задача 3. При изучении физико-химических свойств лактатдегидрогеназы (ЛДГ),
выделенной из сердечной мышцы и из скелетных мышц, определили их
различную электрофоретическую подвижность, различные рН оптимумы. При
этом оба белка-фермента катализировали одну реакцию. Чем обусловлены
различия в свойствах изоферментов?
A. Различиями в первичной структуре.
B. Различиями во вторичной структуре.
C. Различиями в третичной структуре.
D. Различиями в четвертичной структуре.
Задача 4. Лекарственные препараты на основе салицилатов являются
обратимыми не конкурентными ингибиторами фермента
глутаматдегидрогеназы. Предложите метод, который можно использовать для
снижения степени ингибирования:
А. Увеличить концентрацию субстрата
В. Снизить концентрацию ингибитора
С. Изменить значение рН среды
D. Ввести структурный аналог субстрата
Е. Снизить концентрацию субстрата.
Правильность решения проверьте, сопоставив их с эталонами ответов.
1-А, 2-Е,
19
РАЗДЕЛ 2. ВИТАМИНЫ
”Амины жизни” (К.Функ)
Витамины - это необходимые для нормальной жизнедеятельности пищевые
низкомолекулярные органические вещества, синтез которых у организмов данного
вида отсутствует или ограничен.
Источники витаминов у человека - пища и кишечные бактерии. Некоторые
витамины поступают в организм в виде предшественников - провитаминов,
которые в тканях превращаются в активные вещества (например, каротиноиды,
содержащиеся в моркови, томатах, перцах, - провитамины витамина А).
Витамины имеют отличительные особенности:
не включаются в структуры органов и тканей;
не используются в качестве источников энергии.
Классификация и номенклатура
Для обозначения каждого витамина существует буквенное обозначение,
химическое и физиологическое название, например:
витамин С = аскорбиновая кислота = антискорбутный витамин.
Классифицируются витамины по их растворимости в воде или жирах.
1. Жирорастворимые витамины – витамины А, Д, Е, К, а также витаминоподобные
вещества – убихинон (витамин Q), эссенциальные
жирные кислоты (витамин F)
2. Водорастворимые витамины – витамины группы В, Н, С, витаминоподобные
вещества - холин, липоевая кислота, карнитин,
оротовая кислота и др.
Дисбаланс витаминов в организме
Гиповитаминоз - частичный недостаток витаминов (клинически и биохимически
проявляемый).
Авитаминоз - крайне выраженный дефицит витаминов.
Гипервмтаминоз - избыток витаминов (касается в основном жирорастворимых
витаминов, которые могут накапливаться и оказывать токсическое действие).
Причины дисбаланса витаминов
Экзогенные причины: нерациональное питание.
Эндогенные причины:
нарушение всасывания;
высокая потребность (например, при беременности);
заболевания печени;
20
усиление распада витаминов;
поражение микрофлоры кишечника.
Гиповитаминозы, как правило, неспецифичны и проявляются повышенной
утомляемостью, снижением защитных сил организма и т.д., в то время как
авитаминозы имеют характерные специфические клинические проявления, связанные с
нарушением определенных биохимических процессов. Это объясняется тем, что
больщинство водорастворимых витаминов превращается в организме в активную
коферментную форму (как правило, нуклеотид или фосфорный эфир), соединяется с
белковой частью – апоферментом, образуя сложные холоферменты, которые
катализируют определенные реакции:
витамин
активация
кофермент
объединение
апофермент
холофермент
субстрат
катализ
продукт
Биологическая роль витаминов
Водорастворимые витамины, как правило, являются коферментами сложных
ферментов (или входят в состав коферментов).
Жирорастворимые витамины входят в состав биомембран, выполняют
соответствующие регуляторные функции на уровне отдельных клеточных структур и
целого организма. Многие витамины являются антиоксидантами и защищают
биологические молекулы от окисления активными формами кислорода.
Mетаболизм витаминов
Жирорастворимые витамины после всасывания в кишечнике депонируются в тканях,
где утилизируются по мере необходимости; водорастворимые витамины превращаются в активную форму - коферменты и, выполнив каталитическую
функцию в составе ферментов, распадаются и выводятся из организма.
Антивитамины
Антивитамины – это природные и синтетические соединения, которые препятствуют
биологическому эффекту витаминов. Их можно разделить на две группы:
- структурные аналоги витаминов, которые обычно блокируют активные центры
ферментов, соединяясь с его белковой частью вместо витамина, чем вызывают
конкурентное ингибирование данного фермента. В результате
тормозится
определенная биохимическая реакция, что проявляется клинической картиной гипоили авитаминоза. Хорошо известный изониазид – препарат, который используется для
лечения туберкулеза, является антивитамином витаминов РР и В6.
- неспецифические антивитамины, которые разрушают или связывают витамины.
Например, в сырой рыбе содержится фермент тиаминаза, который разрушает тиамин
21
( витамин В1), а сырой белок куриного яйца содержит авидин – антивитамин Н.
ВИТАМИН В1 - ТИАМИН - антиневритный
Коферментная форма – тиаминпирофосфат - ТПФ (кокарбоксилаза)
+
Активация витамина происходит с помощью АТФ (как источника двух остатков
фосфорной кислоты ) и фермента тиаминфосфокиназы:
АТФ
АМФ
B1
ТПФ
Биологическая роль ТПФ
ТПФ входит в состав пируватдегидрогеназного и α-кетоглутаратдегидрогеназного
комплексов в реакциях окислительного декарбоксилирования пирувата и άкетоглутарата (в цикле Кребса) , т.е. способствует образованию энергии из углеводов и
липидов:
пируват
ά-кетоглутарат
пируватдегидрогеназа
ά-кетоглутаратдегидрогеназа
ацетил-КоА
+ СО2
сукцинилКоА + СО2
ТПФ входит в состав фермента транскетолазы, участвующей в пентозо-фосфатном
пути окисления глюкозы, который поставляет метаболиты для синтеза жиров и
нуклеиновых кислот.
Гиповитаминоз: полиневрит ( бери-бери, симптом Вернике) - поражение сердечнососудистой и нервной систем, а также желудочно-кишечного тракта (характерное
биохимическое проявление – повышение концентрации пирувата в крови и внутренних
тканях).
22
ВИТАМИН В2 – рибофлавин – витамин роста
По структуре рибофлавин представляет
собой
производное
трициклического
изоаллоксазина и пятиатомного спирта
рибитола.
изоаллоксазиновое
кольцо
рибитол
Коферментные формы:
флавинмононуклеотид - ФМН;
флавинадениндинуклеотид – ФАД
Активация витамина происходит с участием АТФ как донора остатка фосфорной
кислоты (в синтезе ФМН) и как донора АМФ (в синтезе ФАД):
АТФ
ФФ
АТФ
ФФ
Н
B2
ФМН
ФАД
Биологическая роль ФМН и ФАД
ФМН и ФАД являются простетическими группами многих флавиновых ферментов –
флавопротеинов (аэробных и анаэробных дегидрогеназ и оксидаз), которые принимают
участие в окислении разнообразных промежуточных веществ углеводного, липидного
и белкового обменов.
Гиповитаминоз: задержка роста, воспалительные процессы слизистой оболочки
языка (глоссит), губ, эпителия кожи, глаз (конъюнктивит, кератиты, катаракта).
23
В5 – РР - никотиновая кислота, никотинамид, ниацин,
антипеллагрический
Никотинамид
Никотиновая кислота
В отличие от других витаминов,
никотинамид может синтезироваться в
организме человека из аминокислоты
триптофана.
Коферментные формы:
никотинамидадениндинуклеотид – НАД+
никотинамидадениндинуклеотидфосфат -НАДФ+
+
+
НАД+
НАДФ+
Биологическая роль никотиновых коферментов:
осуществляют перенос водорода в окислительно- восстановительных реакциях,
являясь коферментами пиридинзависимых анаэробных дегидрогеназ;
являются субстратами для синтетических реакций репликации и репарации;
являются аллостерическими регуляторами активности ряда ферментов.
Гиповитаминоз – пеллагра:
дерматит (симметричные поражения участков кожи);
диарея (патологические изменения слизистой оболочки рта и кишечника);
деменция (умственная отсталость).
24
Витамин В6 – пиридоксин - антидермитный
пиридоксол
пиридоксаль
пиридоксамин
Коферментные формы :
-О-РО3Н2
пиридоксальфосфат - ПАЛФ
-О-РО3Н2
пиридоксаминфосфат – ПАМФ
ПАЛФ
ПАМФ
Коферментные формы образуются путем фосфорилирования витамина с помощью
АТФ и фермента пиридоксалькиназы :
АТФ АДФ
B6
пиридоксалькиназа
ПАЛФ
Биологическая роль пиридоксалевых коферментов:
ПАЛФ и ПАМФ входят в состав пиридоксалевых ферментов, катализирующих
основные реакции азотистого (белкового) обмена:
реакции трансаминирования (трансаминазы);
реакции декарбоксилирования аминокислот (декарбоксилазы);
биосинтез гема и сфинголипидов;
превращение триптофана в витамин РР;
пиридоксалевые коферменты участвует также в активном транспорте аминокислот
через клеточную мембрану.
Гиповитаминоз: пеллагроподобный дерматит (не поддается лечению витамином
РР), анемия, судороги;
пиридоксзависимые энзимопатии (гомоцистеинурия),
лечение туберкулеза изониазидом (антивитамин В6)
25
ФОЛИЕВАЯ КИСЛОТА (витамин В9 или Вс) фактор роста
(антианемический)
Источники витамина:
пища и микрофлора
кишечника
птеридиновое кольцо
п-аминобензойная
кислота
глутаминовая кислота
Коферментная форма - тетрагидрофолиевая кислота (ТГФК) – Н4 фолат
Коферментная форма образуется путем восстановления двойной связи в 5-6 положении
фолиевой кислоты (ФК) с помощью НАДФН2 вначале до дигидрофолиевой кислоты
(ДГФК), а затем до тетрагидрофолиевой кислоты (ТГФК) путем восстановления
двойной связи в ДГФК в положении 7-8:
ФК + НАДФН2
ДГФК + НАДФ+
фолатредуктаза
4-аминоптерин, метотрексат – конкурентные
ингибиторы дигидрофолатредуктазы, используются
как противоопухолевые препараты
ДГФК + НАДФН2 дигидрофолатредуктаза
ТГФК + НАДФ+
Биологическая роль ТГФК: участвует в межмолекулярном
переносе (от донорной молекулы к акцепторной) одноуглеродных
фрагментов (которые присоединяются к 5-му или 10-му атомам азота
в ТГФК) в процессах биосинтеза пуриновых и пиримидиновых
нуклеотидов (т.е. синтеза ДНК и РНК), аминокислот (метионина,
серина, глицина), многих физиологически активных соединений.
Одноуглеродные
фрагменты:
метил -СН3;
метилен -СН2-;
метенил =СН-;
формил –СНО;
формимин –
СНNН и др.
Биохимические функции фолиевой кислоты тесно связаны с обменом витамина В12.
Эти витамины являются синергистами.
Гиповитаминоз – мегалобластическая анемия (торможение синтеза нуклеиновых
кислот и созревания клеток, нарушение эритропоэза), спру (макроцитарная анемия и
пенистые поносы), тромбопения.
Гиповитаминоз
К гиповитаминозу может привести дисбактериоз, вызванный длительным приемом
сульфаниламидных препаратов - структурных аналогов п-аминобензойной кислоты
(компонента фолиевой кислоты). Эти препараты препятствуют образованию фолиевой
кислоты в клетках микроорганизмов, необходимой для синтеза ДНК и РНК этих
бактерий.
26
ВИТАМИН В12 - кобаламин – антианемический
В12 – единственный витамин,
содержащий металл - кобальт.
Источники витамина: пища и
микрофлора
кишечника.
Это
единственный
витамин,
синтез
которого
осуществляется
исключительно микроорганизмами.
Коферментные формы:
метилкобаламин (метил-В12)
дезоксиаденозилкобаламин (ДА - В12)
Биологическая роль :
метил-В12 совместно с ТГФК участвуют в реакциях трансметилирования, т.е.
межмолекулярного переноса метильных групп (ресинтез метионина, синтезы
адреналина, креатина, пуриновых и пиримидиновых оснований, т.е. синтез ДНК и
РНК;
ДА - В12 участвует в переносе водорода в реакциях изомеризации, является
коферментом метилмалонил-КоА-мутазы – фермента, который катализирует
превращение метилмалонил-КоА (образуется при расщеплении аминокислот с
разветвленной цепью) в сукцинил-КоА (метаболит цикла Кребса).
27
ВИТАМИН С – аскорбиновая кислота
антискорбутный витамин
Окисленная форма менее устойчива,
легко
распадается,
теряя
биологическую активность.
L-аскорбиновая кислота
L-дегидроаскорбиновая кислота
Биологическая роль :
участвует в окислительно-восстановительных реакциях;
в качестве сильного восстановителя участвует в реакциях гидроксилирования: в
синтезе нейромедиаторов, стероидных гормонов, гемоглобина, коллагена
(гидроксилирование аминокислот пролина и лизина в оксипролин и оксилизин) и др.;
усиливает всасывание и использование железа тканями;
является антиоксидантом.
Авитаминоз – цинга (скорбут) – нарушение синтеза коллагена
хондроитинсульфата – атрофия соединительной ткани, анемия, выпадение зубов.
и
ВИТАМИН Р - РУТИН - витамин проницаемости
(флавоноиды)
Р-витаминно активные производные :
кверцетин, рутин, катехины
Биологическая роль флавоноидов:
укрепляют и уменьшают проницаемость сосудистой стенки: стабилизируют
основное вещество соединительной ткани, ингибируя гиалуронидазу (фермент,
расщепляющий гиалуроновую кислоту – основное вещество соединительной ткани);
способствует поддержанию аскорбиновой кислоты в восстановленной форме
Гиповитаминоз
- повышение проницаемости сосудов (кровоизлияния,
кровотечения), быстрая утомляемость, боли в конечностях. Сопровождает недостаток
витамина С (цингу). Аскорутин - препарат, содержащий витамины-синергисты:
витамин С и витамин Р, применяется для укрепления стенки сосудов.
28
ВИТАМИН В3 - ПАНТОТЕНОВАЯ КИСЛОТА
β-аланин
Коферментные формы :
НS-КоА - коферментА (коэнзим А) или кофермент ацилирования
4-фосфопантетеин
НS
HS-КоА
β-меркаптоэтиламин
пантотеновая кислота
фосфоаденозиндифосфат
Биологическая роль: НS-КоА участвует в процессах:
активации ацетата и жирных кислот;
окисления и синтеза высших жирных кислот;
синтеза холестерина и других стероидов;
синтеза кетоновых тел;
ацилирования в синтезах гема и ацетилхолина;
окислительного декарбоксилирования пирувата и α-кетоглутарата
всасывания различных веществ в ЖКТ.
Гиповитаминоз –
отсутствует
(Pantoten- лат. –
повсеместно
распространен)
ВИТАМИН Н – Биотин – антисеборейный витамин
Источник – микрофлора кишечника,
продукты растительного и животного
происхождения
Биологическая роль - в качестве простетической группы входит в состав
биотиновых ферментов, катализирующих реакции карбоксилирования и
транскарбоксилирования:
биосинтез жирных кислот (ацетил-КоА-карбоксилаза);
превращение пирувата в оксалоацетат (пируваткарбоксилаза);
биосинтез пуриновых нуклеотидов.
Гиповитаминоз – при нарушении нормальной микрофлоры кишечника (в
результате длительного приема антибиотиков и сульфаниламидов). В эксперименте на
животных при длительном скармливании сырого яичного белка, который содержит
белок авидин, препятствующий нормальному всасыванию биотина. Проявляется
патологическими изменениями кожи по типу себореи, выпадением волос.
29
Задания для самопроверки и самокоррекции
Задача 1. Подтверждением диагноза бери-бери, поставленного врачом, послужил
результат анализа мочи, показавший :
А. Повышенное показание оксалата
В. Повышенное количество лактата
С. Повышенное количество ацетоацетата
D. Повышенное количество пирувата
Е. Повышенное количество глутамата
Задача 2. У больного туберкулезом после курса лечения изониазидом,
антагонистом пиридоксина, лабораторно подтверждена аминоацидурия.
Нарушение каких метаболических реакций является побочным эффектом
препарата?
А. Трансаминирование аминокислот
В. Окислительное дезаминирование аминокислот
С. Трансметилирование аминокислот
D. β-окисление высших жирных кислот
Е. Обезвреживание биогенных аминов
Задача 3. При превращении проколлагена в коллаген происходит
гидроксилирование аминокислот лизина и пролина. Какой витамин участвует в
этом процессе?
А. А
В. В6
С. Вс
D. С
Е. РР
Задача 4. После длительного приема сульфаниламидов у больной развилась
анемия. Выберите причину её развития.
А. Нарушение синтеза кобаламина
В. Нарушение синтеза фолиевой кислоты
С. Гиповитаминоз К
D.Гиповитаминоз А
Е.Гиповитаминоз В1
Правильность решения проверьте, сопоставив их с эталонами ответов.
1-D, 3-D, 5-B.
30
РАЗДЕЛ 3. ВВЕДЕНИЕ В ОБМЕН ВЕЩЕСТВ
БИОЭНЕРГЕТИКА
Биоэнергетика, или биохимическая термодинамика, занимается изучением
энергетических превращений, сопровождающих биохимические реакции.
Ее основополагающие принципы позволяют объяснить, почему протекают одни
реакции и невозможны другие. Небиологические системы могут совершать работу за
счет тепловой энергии, биологические - за счет энергии химических процессов.
В чем важность этой темы для медицины и фармацевтики?
Вся необходимая энергия должна поступать в организм в виде топлива питательных продуктов. Вопрос о том, как организм извлекает эту энергию - основа
для понимания процессов нормального питания. Истощение энергетических ресурсов
ведет к голодной смерти, запасание избыточной энергии в форме питательных веществ
– к ожирению. Коррекция нарушений обменных процессов с помощью
фармацевтических средств также должна учитывать энергетические потребности
организма.
Все химические реакции живой клетки подчиняются законам термодинамики.
1 закон : внутренняя энергия системы вместе с ее окружением остается
постоянной, она лишь переходит из одной формы в другую. Самопроизвольно
химические процессы могут протекать могут протекать только в одном направлении - к
достижению равновесия, т.е. к максимальной энтропии. Энтропия - мера хаоса,
неупорядоченности.
2 закон: энтропия при самопроизвольных процессах возрастает.
Самопроизвольно разупорядоченная система никогда не превратиться в
упорядоченную, для обращения надо затратить дополнительную энергию.
Практически проще предсказать направление химических реакций с
помощью свободной энергии системы, которую можно измерить.
ΔG=ΔН-TΔS
Энергетическое состояние
любой системы можно
выразить, используя это
выражение.
Δ G - это та часть энергии системы, которую можно
использовать для совершения работы;
Т Δ S - связанная энергия, которая не может быть
использована на работу;
ΔН - энтальпия - внутренняя энергия системы
(может быть измерена экспериментально)
если
ΔG < 0, то реакция экзергоническая, т.е.
протекает самопроизвольно, с освобождением
энергии (эти реакции поставляют клетке энергию);
если ΔG > 0, то реакция эндергоническая, т.е. идет
с потреблением энергии;
если ΔG = 0 - это состояние равновесия.
31
Жизненно важные процессы - реакции синтеза, мышечное сокращение, проведение
нервного импульса, активный транспорт - получают энергию путем химического
сопряжения с окислительными реакциями, т.е. происходит сопряжение
экзергонических реакций с эндергоническими.
Экзергоническими реакциям обычно являются катаболические реакции - распад
или окисление “топливных” молекул (энергосодержащих нутриентов), которые
поступают в составе пищевых продуктов.
Эндергоническими являются реакции анаболизма - реакции синтеза сложных
биоорганических соединений – клеточных макромолекул.
•Совокупность всех биохимических превращений химических веществ в живом
организме представляет собой метаболизм.
I. Сопряжение эндергонических процессов с экзергоническими
Клеточные макромолекулы:
белки
полисахариды
липиды
нуклеиновые кислоты
Энергосодержащие
нутриенты:
углеводы
липиды
белки
АДФ+Ф
НАД+
НАДФ+
ФАД
анаболизм
АТФ
НАДН+
НАДФН+
ФАДН2
катаболизм
химическая
энергия
Молекулыпредшественники:
аминокислоты
моносахара
жирные кислоты
азотистые основания
32
Энергетически бедные
конечные продукты
СО2
Н2О
NН3
Катаболические пути освобождают свободную энергию в виде
АТФ, НАДН, НАДФН и ФАДН2.
Эта энергия может быть использована в анаболических путях для
превращения малых молекул в клеточные макромолекулы.
Для сопряжения этих процессов обычно необходим посредник, т.е. в процессе
экзергонической реакции синтезируются соединения с высоким энергетическим
потенциалом ~Е, которые в дальнейшем используются в эндергонических реакциях.
Так передается химическая энергия от экзергонического к эндергоническому
процессу. Вещества с высоким энергетическим потенциалом - макроэргические (~Е) это биомолекулы, которые имеют высокую стандартную свободную энергию переноса
концевой фосфатной группы.
рибоза
~
аденин
Главным
макроэргом
в
живых
организмах
является
аденозинтрифосфат (АТФ), который
обеспечивает
передачу
свободной
энергии от экзергоническим процессам к
эндергоническим
АТФ
Ф
(~) означает, что перенос группы,
соединенной
такой
связью,
сопровождается выделением большого
количества свободной энергии.
Свободная энергия гидролиза концевой
фосфатной группы АТФ
гидролиз
рибоза
аденин
ΔG0 = - 30,5 кДж/моль.
АДФ
Синтез АТФ из АДФ и фосфата (т.е. фосфорилирование АДФ) происходит в
организме двумя путями, которые отличаются источником энергии для образования
макроэргической связи :
энергия
АДФ
+
Ф
АТФ
1.Окислительное фосфорилирование (основной путь синтеза) – осуществляется за
счет энергии окисления различных веществ (метаболитов или субстратов
окисления).
2. Субстратное фосфорилирование - осуществляется за счет энергии разрыва
макроэргических связей субстрата.
макроэрги:
Кроме АТФ, существуют и другие
ΔG0
макроэрги - метаболиты углеводного,
липидного
и
аминокислотного
обменов,
а
также
фосфагены
(креатинфосфат), которые выступают
в
качестве
резервуаров
макроэргических связей:
∼ фосфоенолпируват - 61,9 кДж/моль
∼ карбамоилфосфат
- 51, 4 кДж/моль
∼1,3-дифосфоглицерат - 49,3 кДж/моль
∼ креатинфосфат
- 43,1 кДж/моль
33
Итак, накопление энергии в специфических фосфатных связях АТФ лежит в
основе механизма переноса энергии в живой клетке. Но живая клетка неравновесная система, поэтому возможно и накопление химической энергии в
макроэргических связях за счет извлечения ее из питательных веществ.
Важно понимать, что извлечь энергию можно не непосредственно из питательных
веществ, поступающих с пищей, а из продуктов их распада, которые образуются в
процессе обмена веществ.
Обмен веществ в организме человека складывается из следующих
последовательных стадий
1. Поступление питательных веществ - белков, жиров, углеводов, витаминов,
минеральных веществ, воды - в составе продуктов питания.
2. Переваривание питательных веществ в ЖКТ до простых веществ, способных
всасываться слизистой кишечника.
3. Биотранспорт продуктов переваривания кровью и лимфой, проникновение их
через мембраны сосудов и клеток до определенных органов и тканей.
4. Внутриклеточный метаболизм (в узком смысле слова) - промежуточный обмен.
5. Выделение (секреция ) из организма концевых продуктов обмена веществ:
углекислого газа, воды, мочевины и др.
34
3 стадия (общая для всех обменов) - окисление ацетил~КоА до конечных метаболитов
углекислого газа и воды. Эта стадия протекает в митохондриях - энергетических
станциях клеток и состоит из двух процессов:
цикла трикарбоновых кислот (ЦТК), в результате которого образуется СО2, а атомы
водорода используются для восстановления коферментов НАД и ФАД. Водород - это
универсальное энергетическое топливо, которое используется в дыхательной цепи для
образования энергии и воды.
системы электронного транспорта в мембранах митохондрий, в котором атомы
водорода переносятся на кислород с образованием воды. Эта система сопряжена с
окислительным фосфорилированием, в результате которого энергия биологического
окисления используется для синтеза АТФ.
ЛИПИДЫ
УГЛЕВОДЫ
БЕЛКИ
аминокислоты
моносахариды
глицерин
жирные кислоты
пируват
СО2
ацетил-КоА
ЦТК
СО2
2Н+
О2
2Н+
2Н+
СО2
2Н+
Дыхательная цепь митохондрий
тепло
энергия
АДФ + Ф
Н2О
АТФ
35
III. Пути потребления кислорода в реакциях биологического окисления
Все многообразие реакций окисления, идущих с потреблением кислорода, можно
свести к 4 основным типам.
1. Оксидазный путь (80-90% потребления кислорода)
Продукты - окисленный субстрат, вода и энергия. Реализуется в митохондриях в
дыхательной цепи.
2. Оксигеназный путь (8-12% потребления кислорода):
с помощью монооксигеназ: один атом кислорода включается в окисляемый
субстрат, другой - в молекулу воды;
с помощью диоксигеназ: оба атома кислорода входят в окисляемый субстрат
Цель этого свободного (т.е. несопряженного) окисления - превращение природных
или неприродных субстратов (ксенобиотиков) в микросомах печени, коры
надпочечников, поэтому называется микросомальным окислением.
Таким путем холестерин окисляется в стероидные гормоны и желчные кислоты,
тирозин - в меланины. Этим же путем обезвреживаются в печени токсичные
метаболиты и ксенобиотики - лекарственные препараты или яды.
Микросомальные цепи представляют собой короткие цепи переноса протонов и
электронов, источником которого служит НАДФН. а активатором кислорода цитохром Р-450:
3. Пероксидазный путь - с образованием перекиси водорода с помощью
пероксидобразующих ферментов - флавопротеинов
Таким путем окисляются аминокислоты, биогенные амины и др.
Образование токсичного пероксида является “издержкой”, однако, в
фагоцитирующих клетках (например, лейкоцитах) пероксид служит для
обезвреживания патогенных бактерий.
4. Свободнорадикальное окисление происходит под действием активных форм
кислорода (АФК), которые образуются при одноэлектронном восстановлении
кислорода:
•
супероксид-анион
•
перекись водорода Н2О2
•
гидроксильный радикал
•
синглетный кислород
АФК - очень реакционноспособные молекулы, которые спонтанно ускоряют цепные
реакции перекисного окисления липидов (ПОЛ) и окислительно модифицируют
другие биомолекулы - белки, нуклеиновые кислоты и др.
Эти процессы потребления кислорода активно протекают в мембранах, где
имеются ненасыщенные жирные кислоты в составе фосфолипидов. Цель этого
процесса - обновление мембран и регуляция их проницаемости.
Супероксиданион активирует образование в тканях NО-радикала, который
способствует вазодилатации, а также, превращается в пероксинитрит ОNООН,
который индуцирует апоптоз - запрограммированную смерть клеток.
Антиоксиданты, например, витамин Е - токоферол - способны улавливать
свободные радикалы, снижая тем самым токсичность кислорода.
36
IV. Биологическое окисление
внешняя
АТФ-синтаза
•Биологическое окисление, сопровождающееся
мембрана
кристы
потреблением кислорода и образованием энергии
и воды, называется тканевым дыханием. Это
многостадийный процесс переноса водородов
внутренняя
(протонов и электронов) от субстратов окисления
мембрана
через ряд промежуточных переносчиков к
кислороду с образованием воды и выделением
энергии.
•Субстраты окисления SH2 образуются в ходе
катаболизма белков, жиров и углеводов. Это
вещества,
которые
подвергаются
дегидрированию, т.е. отщеплению атомов
водорода.
Н2 - универсальное энергетическое
•Водород
топливо, которое используется в тканевом
дыхании для образования энергии и воды.
•Тканевое
дыхание
представлено
полиферментной цепью переноса электронов и
протонов
(ЦПЭ),
которая
называется
дыхательной митохондриальной цепью или
дыхательным ансамблем. Она имеет структурную
организацию, т.к. ее компоненты встроены во рибосомы
внутреннюю мембрану митохондрий (от 5 до 20
протонные каналы
тыс. ансаблей в одной митохондрии).
Промежуточные переносчики (Р) при транспорте электронов от исходного донора
электронов (субстрата) SH к терминальному акцептору – кислороду О2
2
Полный процесс представляет собой цепь последовательных окислительновосстановительных реакций, в ходе которых происходит взаимодействие между
переносчиками. Каждый промежуточный переносчик (P) вначале выступает в роли
акцептора электронов и протонов и из окисленного состояния переходит в
восстановленную форму. Затем он передает электрон следующему переносчику и снова
возвращается в окисленное состояние. На последней стадии переносчик передает
электроны кислороду, который затем, присоединяя протоны, восстанавливается до
воды.
SH2
S
1/2О2
Н2О
37
1. НАД-зависимые дегидрогеназы
Сложные ферменты, которые
катализирует
реакции
2Н+2е..
окисления
непосредственно
+ Н+
субстратов S
(первичные
дегидрогеназы).
НАДН
+ (активная форма
(восстановленная форма) НАД
витамина РР) - кофермент этих
ферментов, акцептируя два
протона и два электрона (2Н
+2е-) от S превращается в
+
НАД
(окисленная форма)
восстановленную
форму
НАДН.
2. Флавиновые дегидрогеназы или флавопротеины (ФП)
Н
2Н+2е-
Н
Н
ФАДН2 (ФМНН2)
ФМН
(восстановленные)
Сложные
ферменты,
простетическими группами
которых является ФМН
или ФАД (активные формы
витамина В2).
Дегидрогеназы, содержащие ФАД, катализируют
окисление некоторых субстратов, например,
янтарной кислоты (сукцината), т.е. это первичные
дегидрогеназы
(сукцинатдегидрогеназа).
Дегидрогеназа, содержащая ФМН, акцептирует
протоны и электроны от восстановленных
коферментов
НАДН,
т.е.
это
НАДНдегидрогеназа.
ФАД
ФАД, (ФМН)
(окисленные)
3. Убихинон - КоQ
КоQ
(окисленный)
2Н+2еОН
КоQН2
38
ОН(восстановленный)
Небольшая
молекула,
растворимая
в
липидной части мемебраны (благодаря
неполярной боковой цепи), поэтому она
легко перемещается в толще мембраны.
Название «убихинон» возникло из-за его
повсеместной
распространенности
в
природе.
Кофермент Q является своеобразным
коллектором протонов и электронов 2Н+2еот восстановленных коферментов ФМНН2 и
ФАДН2
переходя
при
этом
в
восстановленную форму КоQН2.
4. Железо-серные белки
белок
Это сложные белки, содержащие негеминовое железо
и серу, которые могут обратимо окисляться и
восстанавливаться, т.е. переносить электроны.
Расположены в липидном слое мембраны
Эти
окислительно-восстановительные
системы
стабильны только в составе молекул белков. Они
могут содержать от 2 до 6 ионов железа, образующих
комплексы различного состава с неорганическим
сульфидом и SH-группами остатков цистеина белка.
5. Цитохромы
Это сложные белки – гемопротеины,
содержащие гем (подобные гему гемоглобина) прочно связанную простетическую группу. Гем
содержит геминовое железо, способное менять
валентность, т.е. переносить только электроны.
белок
Цитохромы отличаются друг от друга как
белковым компонентом, так и заместителями в
геме,
следовательно,
физико-химическими
свойствами,
т.е.
окислительновосстановительными потенциалами.
гем С
В дыхательной цепи цитохромы служат переносчиками электронов и располагаются
соответственно величине окислительно-восстановительного потенциала следующим
образом: цит.b, цит.с1, цит.с, цит.а, а3.
Цитохром аа3 - цитохромоксидаза - терминальный фермент, который
переносит электроны непосредственно на кислород (аэробный
фермент), состоит из 6 субъединиц, кроме геминового железа содержит
ионы меди, переносящий электроны. В переносе электронов участвуют
сначала ионы железа цитохромов а и а3, а затем ион меди цитохрома а3.
V. Молекулярная организация цепи переноса электронов
Все участники цепи переноса электронов структурно объединены в четыре
окислительно-восстановительные системы – мультиферментные комплексы (I - IV),
встроенные в липидный матрикс внутренних мембран митохондрий.
Процесс окисления начинается с переноса протонов и электронов 2Н+2е- с
окисляемого субстрата SH на НАД+ или ФАД (это зависит от природы субстрата).
2
39
мембрана
Q
Fe-S
I
Комплекс I – НАДН-дегидрогеназа –
флавопротеин, содержащий ФМН. Этот
фермент окисляет НАДН и передает два
водорода (2Н+2е-) на коэнзим Q. В комплекс
входят также Fe-S-белки.
Комплекс II – сукцинатдегидрогеназа –
флавопротеин, содержащий ФАД. Этот
фермент окисляет сукцинат и передает два
водорода (2Н+2е-) на коэнзим Q. В составе
комплекса есть Fe-S-белки.
В матриксе митохондрий находятся также
другие
ФАД-зависимые дегидрогеназы,
которые
окисляют
соответствующие
субстраты (глицерол-3-фосфат, ацил-КоА) и
передают далее водороды на коэнзим Q.
Глицерол-3-фосфат
II
НАДН
НАД+
сукцинат
SH2
изоцитрат
пируват
малат
глутамат
и др.
матрикс
митохондрии
ацил-КоА
Потоки атомов водорода сливаются на стадии образования восстановленного КоQН2.
Коэнзим Q является последним компонентом цепи, который способен
транспортировать как протоны, так и электроны (2Н+2е-). Далее протоны (2Н+)
переходят с внутренней поверхности мембраны митохондрий на внешнюю, а
электроны е- через цепь цитохромов переносятся на кислород.
Межмембранное
пространство
НАДНН НАД+
сукцинат
фумарат
матрикс
½ О2+2Н Н2О
Комплекс III – убихинондегидрогеназа – ферментный комплекс, состоящий из
цитохрома b, Fe-S-белка и цитохрома с1. Этот комплекс транспортирует электроны
2е- от восстановленного убихинона КоQН2 на цитохром с (небольшой по размерам
водорастворимый белок, находится на внешней стороне внутренней мембраны).
Комплекс IV – цитохром с-оксидаза – ферментный комплекс,
состоящий из цитохромов а и а3. Эти ферменты осуществляют
последнюю
стадию
биологического
окисления
–
восстановление электронами 2е молекулярного кислорода:
2е + ½ О2
О2-
Восстановленный кислород О2- взаимодействует со свободными протонами 2Н+
матрикса, в результате чего образуется вода:
40
2Н+ + О2-
Н2О
Комплекс I
ФМН FeS
НАД+
SH2
Комплекс III
Q
b FeS c1
Комплекс IV
с
a a3
1/2О2
Комплекс II
ФАД
2Н
FeS
Н2О
SH2
Направление переноса протонов и электронов определяют окислительновосстановительные потенциалы. Для обеспечения спонтанного переноса члены
окислительно-восстановительного ряда должны располагаться в порядке
возрастания потенциалов.
Редокс-потенциал пары НАД+/НАДН = -0,32 в, что
говорит о высокой способности отдавать электроны.
Редокс потенциал пары кислород/вода = +0,82 в,
что говорит о высоком сродстве к электронам.
-0,32
Общая разность редокс-потенциалов равна 1,14 в,
этому соответствует изменение свободной энергии
ΔG = -220 кДж/моль. Эта общая величина энергии
реакции разбивается на небольшие и более
удобные
«пакеты»,
величина
которых
определяется
разностью
окислительновосстановительных потенциалов соответствующих
промежуточных продуктов. Предполагается, что
это
разделение
на
пакеты
обеспечивает
дыхательной цепи удивительно высокий выход
энергии, составляющий примерно 60%.
+0,82
Дыхательная цепь митохондрий
О2
тепло
энергия
АДФ + Ф
Н2О
АТФ
При прохождении по ЦПЭ пары электронов выделяется энергия, большая
часть которой (60%) рассеивается в виде тепла, а остальная аккумулируется
в макроэргических связях АТФ, т.е. поглощается в ходе реакции синтеза
АТФ, т.е. окислительного фосфорилирования.
41
Это фосфорилирование называется окислительным, т.к. энергия для образования
макроэргической связи генерируется в процессе окисления, т.е. движения протонов и
электронов по ЦПЭ.
VI. Механизм окислительного фосфорилирования
Н+
Н+
цит.с
Н+
межмембранное
пространство
½ О2+2Н+
фумарат
сукцинат
Н2О
АДФ+Ф
НАДНН НАД+
V
матрикс
синтез АТФ
химический
потенциал ΔрН
электрохимический
потенциал ΔµН+
Н+
АТФ-синтаза
Основные переносчики электронов – комплексы I, III, IV – используя энергию
электронов, обеспечивают перенос протонов Н+ из матрикса в межмембранное
пространство. В результате понижается значение рН и возникает протонный
электрохимический потенциал ΔµН+ (хемиосмотическая теория П.Митчелла).
Именно этот потенциал является движущей силой синтеза АТФ из АДФ и Ф.
Синтез АТФ сопряжен с обратным потоком протонов Н+ из межмембранного
пространства в матрикс. Внутренняя мембрана митохондрий для этого потока
непроницаема. Осуществляется обратный поток протонов благодаря специальной
ферментной системе, называемой протонная АТФ-аза или АТФ-синтаза (комплекс
V). При достижении определенного значения ΔµН+ активируется АТФ-аза, в ней
открывается канал, через который протоны возвращаются в матрикс из
межмембранного пространства, а энергия ΔµН+ используется для синтеза АТФ.
42
Каждый из трех комплексов (I, III, IV) обеспечивает протонный градиент,
необходимый для активации АТФ-синтазы и синтеза 1 молекулы АТФ.
АДФ + Ф
АТ
Ф
Комплекс I
ФМН FeS
АДФ + Ф
SH2 (P/O = 3)
пируват
α-кетоглутарат
изоцитрат
малат
глутамат
лактат
ФАД
АДФ + Ф
Комплекс III
Q
b FeS c1
Комплекс II
НАД+
АТ
Ф
FeS
SH2 (P/O=2)
сукцинат
ацил-КоА
глицерол-3-фосфат
АТ
Ф
Комплекс IV
с
a a3
О2
Коэффициент
окислительного
фосфорилирования P/O – отношение
количества фосфорной кислоты (Р),
использованной на фосфорилирование,
к поглощенному кислороду (О).
P/O зависит от точки вхождения
восстановительных эквивалентов H2
от субстратов SH2 в цепь транспорта
электронов.
Субстраты SH2, окисляемые НАД-зависимыми дегидрогеназами (пируват,
α-кетоглутарат, изоцитрат, малат, глутамат, лактат) являются более энергетически
ценными, т.к. при их окислении образуется 3 АТФ (P/O = 3),
чем субстраты,
окисляемые ФАД-зависимыми дегидрогеназами (сукцинат, ацил-КоА, глицерол-3фосфат), при окислении которых образуется 2 моля АТФ (P/O=2).
Все описанные процессы переноса протонов и электронов и синтеза АТФ
(тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования) тесно сопряжены:
они происходят только одновременно и скорость их меняется одновременно.
Процессы усвоения пищи и образования АТФ должны приспосабливаться к
энергетическим потребностям клетки, т.е. производство и потребление АТФ должно
быть согласовано.
При увеличении в клетке расходования АТФ повышается скорость поступления АДФ в
митохондрии, а значит, растет скорость синтеза АТФ. Поэтому увеличивается скорость
переноса протонов, т.е. возрастает скорость дыхания. Такая корреляция, т.е. ускорение
окислительного фосфорилирования и дыхания при повышении концентрации АДФ
называется дыхательным контролем. Другими словами, дыхательный контроль –
это соотношение АТФ/АДФ: при его понижении интенсивность дыхания
43
увеличивается.
В
некоторых
случаях
сопряжение 1.Повреждение
мембраны
фосфорилирования и дыхания нарушается,
т.е.
происходит
«неконтролируемое»
дыхание
митохондрий.
Это
может
происходить при повреждении мембраны
митохондрий, а также при действии 2.Подвижные
веществ, функционально разделяющих переносчики
окисление
и
фосфорилирование
–
разобщающих агентов. Эти липофильные
вещества (2,4-динитрофенол, жирные
кислоты ) могут переносить протоны
норадреналин
через мембрану митохондрий, минуя АТФазу, т.е. уничтожая протонный градиент.
жир
ЖК
Природный разобщающий агент – белок
термогенин, который является протонным
каналом в митохондриях бурого жира. 3.Управляемый
протонный канал
При этом Р/О снижается, энергия
рассеивается в виде тепла.
термогенин
Ингибиторы электронного транспорта и окислительного фосфорилирования
1. Ингибиторы, блокирующие Ротенон, барбитураты
дыхательную цепь за счет
связывания с определенными
КоQ цит.b
цит.с1
ферментами или коферментами НАДН
на разных участках цепи. При
этом Р/О снижается до нуля в
зависимости от места действия
антимицин
ингибитора:
а)
ротенон
(инсектицид), НАДН
барбитураты
(снотворные),
антибиотик пиерицидин А.
КоQ
цит.b
а)
цит.с
НАДН
цит.с1
цит.с
с)
КоQ
цит.b
цит.с1
О2
цит.аа3
О2
в)
в) антимицин (антибиотик).
с) CN-, CO, H2S.
цит.аа3
цит.с
СN- или СО
цит.аа3
О2
2. Ингибиторы окислительного фосфорилирования:
а) олигомицин – антибиотик, ингибирует функцию АТФ-синтазы (не действует на
тканевое дыхание).
44
VII. Общие пути катаболизма
Окислительное декарбоксилирование пирувата
Этот процесс отщепления СО2 от пировиноградной кислоты и переноса ацетильного
остатка на коэнзим А с образованием ацетил-КоА осуществляется с помощью
мультиферментного пируватдегидрогеназного комплекса (ПДГ).
В состав комплекса входят три фермента (Е1 , Е2 , Е3 )
и пять кофакторов:
тиаминпирофосфат (ТПФ) простетические группы прочно связаны с
липоевая
кислота
(ЛК)
апоферментами
ФАД
НАД
+
коэнзим
А
коферменты
– легко диссоциируют
(HS-КоА)
от апоферментов
Пируват+НАД+ + НSКоА
СО2+ацетил-SКоА+НАДН Н+
О
Е1 –ТПФ катализирует отщепление СО2 от пирувата и перенос гидроксиэтильного
остатка на ТПФ.
Е2 –ЛК переносит гидроксиэтильный остаток от ТПФ на простетическую группу –
ЛК, при этом дисульфидная связь разрывается, а ацетильный остаток и водород
присоединяются к ЛК. Затем ацетильный остаток переносится с ЛК на НSКоА с
образованием ацетил-SКоА, а ЛК восстанавливается до дигидро-ЛК.
Е3-ФАД катализирует дегидрирование дигидро-ЛК, которая переходит в исходную
окисленную форму, а водороды восстанавливают ФАД. На последней стадии
45
водороды переносятся на НАД+ с образованием НАДН Н+.
VIII. Цикл трикарбоновых кислот
Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса, цитратный цикл) – это циклическая
последовательность ферментативных реакций, в результате которых ацетил-SКоА
(СН3СО ∼ SКоА) - продукт катаболизма белков, жиров и углеводов, окисляется до
углекислого газа СО2 с образованием атомов водорода (Н), которые используются для
восстановления первичных акцепторов цепи переноса электронов: НАД+ и ФАД.
(С2)
(С6)
(С4)
(С6)
СО2
α-
(С4)
(С5)
СО2
(С4)
(С4)
(С4)
Метаболиты и ферменты ЦТК локализованы в матриксе и внутренней мембране
митохондрий. Они функционально сопряжены с митохондриальными цепями переноса
электронов. Поэтому восстановительные эквиваленты (4 пары водородов Н),
образующиеся при окислении метаболитов цикла Кребса, через первичные акцепторы
НАДН Н+ и ФАДН2 передаются в дыхательную цепь для восстановления атомов
кислорода О2 с образованием молекул Н2О. При этом образуется АТФ в ходе
окислительного фосфорилирования.
Ацетил-КоА – «активная уксусная кислота» (содержит 2 атома углерода С2),
образуется при окислительном декарбоксилировании пирувата. В первой реакции она
конденсируется с четырехуглеродным оксалоацетатом (С4), при этом образуется
шестиуглеродный цитрат (С6). Затем от цитрата последовательно отщепляются два
углерода в виде двух молекул СО2, в результате чего вновь регенерируется оксалоацетат
(С4). Таким образом, суммарное уравнение ЦТК:
46
СН3СООН + 2Н2О
2СО2 + 8Н
1
конденсация
∼SКоА
НSКоА
цитратсинтаза
2а
8
оксалоацетат
дегидрирование
цитрат
малатдегидрогеназа
дегидратация
аконитаза
ЦТК
малат
7
цис-аконитат
гидратация
фумараза
НАДНН+
аконитаза
2в
гидратация
ФАДН2
фумарат
6
изоцитрат-изоцитрат
дегидрогеназа
сукцинатдегидрогеназа
декарбоксилирование
дегидрирование
α-кетоглутаратдегидрогеназа
сукцинилтиокиназа
сукцинат
НSКоА
ГТ
Ф
3
∼SКоА
ГДФ+Ф
сукцинил∼SКоА
НSКоА
СО2
α-кетоглутарат
СО2
5
4
субсратное
фосфорилирование
окислительное
декарбокси-лирование
декарбоксилирование
47
Энергетический баланс ЦТК
В ЦТК при окислении одной молекулы «активного ацетата» образуются
восстановленные коферменты: 3 молекулы НАДН Н+ и 1 молекула ФАДН2. Они далее
окисляются в дыхательной цепи, при этом за счет окислительного фосфорилирования
образуется по 3АТФ на каждую НАДН Н+ и по 2АТФ на ФАДН2. Таким образом, за
счет окислительного фосфорилирования образуется (3х3 + 2х1 = 11) АТФ.
Кроме того, в цикле Кребса имеется реакция субстратного фосфорилирования, в
которой за счет расщепления макроэргической связи субстрата (сукцинил∼SКоА)
образуется новое макроэргическое соединение - ГТФ. Далее ГТФ отдает свой фосфат
на АДФ с образованием 1 молекулы АТФ. Таким образом, всего при окислении 1
моля ацетилКоА образуется (11 + 1 = 12) АТФ.
Регуляция ЦТК
пируват
пируват
дегидрогеназный
комплекс
АТФ, ацетилКоА, НАДН,
жирные кислоты
АМФ, НSКоА, НАД+, Са2+
ацетил-КоА
АТФ, НАДН, сукцинил-КоА
АДФ
цитрат
синтаза
оксалоацетат
малат
дегидрогеназа
ЦТК
НАДН
малат
Самым важным фактором
регуляции цикла является
соотношение НАДН/НАД+.
цитрат
изоцитрат
изоцитрат
дегидрогеназа
АТФ
АДФ, Са2+
α-кетоглутарат
α-кето
глутаратдегидрогеназа
ФАДН2
НАДН, сукцинил-КоА
Са2+
сукцинат
дегидрогеназа
сукцинил∼SКоА
ингибирование
48
ГТФ
активация
Задания для самопроверки и самокоррекции
Задача 1.
Нарушение последовательности ферментов при реконструкции цепи тканевого
дыхания в эксперименте полностью блокирует его активность. Каким
свойством компонентов необходимо руководствоваться в построении
активной цепи переноса электронов?
А,
Молекулярной массой
В.
Редокс-потенциалом
С.
Структурой кофакторов
D.
Электрофоретической подвижностью.
Задача 2. Сопряжение тканевого дыхания с фосфорилированием требует
наличия градиента концентрации Н+ между двумя сторонами внутренней
митохондриальной мембраны. Какую роль он играет в синтезе АТФ?
А. Катализирует реакцию синтеза АТФ
В. Активирует АТФ-синтетазу
С. Участвует в образовании промежуточных высокоэнергетических соединений
Д. Способствует выделению энергии в дыхательной цепи
Е. Переводит компоненты дыхательной цепи в высокоэнергетическую форму
путем изменения их конформации.
Задача 3. Животные содержались на рационе, лишенном некоторых витаминов.
Отсутствие какого витамина приведет к нарушению активности дегидрогеназ
тканевого дыхания?
А. РР
В. Пиридоксина
С. Фолиевой кислоты
D. Кобаламина
Е.. Рутина
Задача 4.Студенты в лабораторной работе in vitro исследовали действие малоната
на ряд ферментов аэробного окисления глюкозы. Накопление, какого
метаболита ЦТК они обнаружили?
А. Малата
В. Цитрата
С. Лактата
D. Изоцитрата
Е. Сукцината
Правильность решения проверьте, сопоставив их с эталонами ответов.
1-B, 3-A, 5-C.
49
РАЗДЕЛ 4. ОБМЕН УГЛЕВОДОВ
УГЛЕВОДЫ – это альдегидо- и кетопроизводные
многоатомных спиртов (альдозы и кетозы)
Функции углеводов:
энергетическая (моносахариды, гомополисахариды)
R
R
структурная (гетерополисахариды)
альдоза
кетоза
углеводы входят в состав сложных белков – гликопротеинов
(ферментов, гормонов, рецепторов, иммуноглобулинов и т.д.)
углеводы используются в синтезе нуклеотидов (в синтезе ДНК, РНК, коферментов)
Моносахариды:
глюкоза
фруктоза
галактоза
глюкоза
Дисахариды:
мальтоза
сахароза
лактоза
Полисахариды:
крахмал (амилоза и амилопектин)
гликоген
целлюлоза
галактоза
фруктоза
Крахмал
–
разветвленный
гомополисахарид, состоит из
мономера глюкозы, Мономеры
линейных участков (амилозы)
соединены
1,4-гликозидными
связями, а в местах разветвления
– 1,6-гликозидными связями.
1,6-гликозидная
связь
Гликоген – полисахарид, по структуре
подобный
крахмалу,
но
более
разветвленный (т.е. содержит больше
1,6-гликозидных связей, а значит
большее
количество
концевых
мономеров, что облегчает его распад ).
1,4-гликозидная
связь
50
I. Основные процессы в обмене углеводов
1. Переваривание углеводов
2. Синтез гликогена - гликогенез
3. Распад гликогена - гликогенолиз
4. Дихотомический распад глюкозы - непрямое окисление глюкозы при делении
ее молекулы на две триозы:
4.1. Анаэробный гликолиз - окисление глюкозы в бескислородных условиях с
образованием двух молекул лактата и 2 АТФ
4.2. Аэробный гликолиз - окисление глюкозы в кислородных условиях с
образованием двух молекул пирувата и 8 АТФ
4.3. Спиртовое брожение - превращение глюкозы в этиловый спирт под действием
микроорганизмов (дрожжей)
5. Глюконеогенез - синтез глюкозы из неуглеводов: аминокислот (белков), глицерина
(липидов), пирувата, лактата
6. Апотомический распад глюкозы - прямое окисление глюкозы –
пентозо-фосфатный путь
7. Взаимопревращения моносахаров – включение других гексоз в обмен глюкозы
Углеводы пищи
глюкоза
галактоза
фруктоза
глюкозо-6-фосфат
гликоген
СО2
липиды
глицерин
3-фосфоглицеральдегид
рибозо5-фосфат
белки
аминокислоты
СО2
СО2
АТ
Ф
51
пируват
ацетил-SКоА
лактат
НАДФН+
этанол
ЦТК
дыхательная цепь
Н2О
липиды
нуклеотиды
коферменты
ДНК, РНК
II. Переваривание углеводов
Переваривание углеводов – это гидролиз олиго- и полисахаридов, т.е. расщепление
гликозидных связей под действием воды с помощью гидролитических ферментов.
Ротовая полость
Начинается переваривание углеводов в ротовой полости, где действует α-амилаза
слюны (рН opt = 6,7), катализирующая гидролиз 1,4-гликозидных связей в молекуле
крахмала. Этот фермент является эндоамилазой, т.е. расщепляет связи, удаленные от
конца цепи. В результате образуются олигосахариды (декстрины) и небольшое
количество дисахарида мальтозы.
α-амилаза
слюны
1,6гликозидаза
В желудке (рН 1,5-2)
переваривание углеводов
не происходит
Тонкий кишечник
панкреатическая
α-амилаза
В верхнем отделе тонкой кишки действует панкреатическая α-амилаза, которая
гидролизует 1,4-гликозидные связи, последовательно отщепляя молекулы мальтозы от
декстринов. 1,6-гликозидные связи в декстринах гидролизуют 1,6-гликозидазы.
На дисахариды в кишечнике действуют соответствующие ферменты (мальтаза,
сахараза и лактаза), расщепляющие их до моносахаридов:
мальтоза
сахароза
лактоза
глюкоза + глюкоза
+
сахараза
глюкоза + фруктоза
+
лактаза
глюкоза + галактоза
+
мальтаза
52
Превращение глюкозы в тканях
АТФ
глюкоза
АДФ
гексокиназа
глюкокиназа
глюкоза-6-фосфат
Эта реакция «запирает» глюкозу в клетке, т.к.
клеточная
мембрана
непроницаема
для
фосфорилированной глюкозы.
Первая реакция превращения
глюкозы в тканях – активация
глюкозы путем фосфорилирования
с
участием
АТФ.
Катализирует ее во многих
тканях гексокиназа, а в клетках
печени
–
глюкокиназа.
Глюкокиназа специфична для
глюкозы
и
работает
при
высоких ее концентрациях (КM
= 12ммоль/л), а гексокиназа
фосфорилирует разные гексозы
и
ингибируется
глюкозо-6фосфатом (КM = 0,1ммоль/л).
III. Синтез гликогена - гликогенез
Гликоген – животный гомополисахарид, резервная форма глюкозы, в основном
депонируется в печени и скелетных мышцах. Гликоген животных, как и амилопектин
растений, представляет собой разветвленный полимер глюкозы, в котором остатки
глюкозы соединены α(1→4)-гликозидной связью. Связи в точках ветвления находятся в
положении α(1→6) примерно каждого 10-го остатка. Разветвленная структура
создает большое количество концевых мономеров, что способствует работе ферментов,
отщепляющих или присоединяющих глюкозу при его синтезе или распаде.
УТФ ФФ
фосфоглюкомутаза
глюкоза-6-фосфат
УДФ-глюкозопирофосфорилаза
глюкозо-1-фосфат
УДФ-глюкоза
53
Гранулы гликогена
Хранение в организме собственно
глюкозы неприемлемо из-за ее
высокой растворимости: высокие
концентрации глюкозы создают в
клетке
высокогипертоническую
среду, что приводит к притоку
воды. Напротив, нерастворимый
гликоген
осмотически
почти
неактивен и компактен.
Удлинение цепи линейных полимеров путем
образования
1,4-гликозидных
связей
урацил
УДФ-глюкоза
гликогенсинтаза
олигосахарид - «затравка» гликогена
содержащий n молекул глюкозы (n>4)
(праймер),
УДФ
гликоген, содержащий n+1 молекул глюкозы
а) удлинение цепи
гликогенсинтаза
б) ветвление
ветвящий фермент
Удлинение цепи катализируется гликогенсинтазой. Так как образование гликозидных
связей
между
сахарами
является
эндоэргической реакцией, вначале в реакции
глюкозо-1-фосфата с уридинтрифосфатом
(УТФ)
образуется
активированный
предшественник — УДФ-глюкоза. После
этого остаток глюкозы легко переносится с
УДФ-глюкозы на «затравку» гликогена.
Когда
растущая
цепь
достигает
определенной длины (>11 остатков),
специальный ветвящий фермент гликогена
(1,4→1,6-трансгликозидаза ) катализирует
перенос
концевого
олигосахарида,
состоящего из 6-7 остатков, на 6-ОН остаток
глюкозы той же или другой цепи гликогена с
образованием точки ветвления [α(1→6)связи]. Дальнейшее удлинение этого
фрагмента
осуществляется
гликогенсинтазой, образующей α(1→4)связи.
54
IV. Распад гликогена в тканях
Гликоген печени никогда
не
расщепляется
полностью. Как правило,
укорачиваются
только
невосстанавливающие
концы
древовидной
структуры
путем
фосфоролиза,
т.е.
Н3РО4
Гликоген ( n молекул глюкозы)
присоединения
гликогенфосфорилаза
фосфорной кислоты по
месту разрыва связи.
Гликогенфосфорилаза
отщепляет
от
неразветленных цепей
гликогена по одному
мономеру
в
виде
Глюкозо-1-фосфат
Гликоген ( n -1 молекул глюкозы)
глюкозо-1-фосфата
1,6-связь Гликогенфосфорилаза катализирует фосфоролиз
1,4-связей,
т.е.
расщепление
линейных
полимеров. Разрыв 1,6-связей катализирует
деветвящий фермент, который обладает:
гликоген
гликозилтрансферазной активностью, т.е.
переносит олигосахарид из трех глюкоз
гликогенв конец неразветвленной цепи, при этом остается
фосфорилаза
одна молекула глюкозы, связанная 1,6-связью;
1,6-гликозидазной активностью, т.е.
расщепляет 1,6-связи с образованием свободной
молекулы глюкозо-1-фосфата
глюкозы и линейного полимера, на который
деветвящий
далее действует гликогенфосфорилаза, отщепляя
фермент
гликозилпо одной молекуле глюкозо-1-фосфата.
трансферазная
Распад гликогена в печени и в мышцах
активность
отличается
только
одной
реакцией,
обусловленной наличием только в печени
глюкозо-6-фосфатазы, которая «освобождает»
деветвящий
глюкозу от фосфата (своеобразного якоря,
фермент
1,6-гликозидазная
который не выпускает глюкозу из клетки), в
активность
глюкоза
результате чего глюкоза из печени выходит в
кровь. Таким образом, мобилизация гликогена
линейный (1,4-) полимер печени
поддерживает
постоянную
субстрат
для
дальнейшего
концентрацию глюкозы в крови. Функция
действия гликогенфосфорилазы
гликогена мышц – обеспечение самой мышцы
метаболическим топливом.
55
Регуляция гликогенолиза и гликогенеза (синтеза и распада гликогена)
Синтез и распад гликогена – два противоположных процесса, их одновременное
протекание в клетке бессмысленно, поэтому происходит переключение этих
метаболических путей путем изменения активности двух ключевых ферментов –
гликогенсинтазы и гликогенфосфорила с помощью
инсулин
их фосфорилирования и дефосфорилирования.
Синтез гликогена активируется в
период пищеварения (1-2 часа после
приема углеводной пищи). В это
время
вырабатывается
гормон
поджелудочной железы инсулин,
который активирует гликогенсинтазу
путем ее дефосфорилирования (см.
раздел
«Гормональная
регуляция
обмена веществ»). В результате
глюкоза, всосавшаяся в кровь из
кишечника, депонируется в печени в
виде гликогена.
протеинфосфатаза
Н2О
гликогенфосфорилаза
гликогенфосфорилаза
активная
неактивная
АТФ
АДФ
протеинкиназа
глюкагон
адреналин
гликогенсинтаза
гликогенсинтаза
неактивная
активная
Н2О
протеинфосфатаза
глюкозо6-фосфат
инсулин
глюкагон
Распад
(мобилизация)
гликогена
происходит, главным образом, в период
между приемами пищи , а также во время
физической работы. В постабсорбтивном
периоде (при снижении концентрации
глюкозы в крови) усиливается выработка
другого гормона поджелудочной железы
глюкагона, который активирует гликогенфосфорилазу путем фосфорилирования.
При этом происходит распад гликогена в
печени и глюкоза выходит в кровь.
Аналогично
в
мышцах
действует
адреналин, который активирует распад
гликогена при мышечной работе.
Болезни гликогена
Это наследственные заболевания – энзимопатии, связанные со снижением или
отсутствием активности ферментов синтеза или распада гликогена.
Гликогенозы – болезни накопления гликогена, вследствие чего возникает
гипогликемия и ее последствия (например, болезнь Гирке – недостаточность глюкозо-6фосфатазы).
Агликогенозы – нарушение синтеза гликогена, в результате чего наблюдается
56
снижение его содержания в тканях и также гипогликемия.
V. Дихотомический распад глюкозы
– непрямое окисление глюкозы.
гликолиз
Независимо
от
условий,
дихотомическое
деление
6-ти
2 пируват
анаэробные условия
анаэробные
углеродной молекулы глюкозы с
в дрожжах
условия
образованием двух 3-х углеродных
аэробные
молекул пирувата происходит
условия
2 этанол +2СО2
2 лактат
одинаково . Далее, в зависимости
2СО2
от условий, пируват различными
путями превращается либо в
2 ацетил-КоА
лактат, либо в ацетил-КоА, или в
этиловый спирт (в дрожжах).
4СО2 + Н2О
Анаэробный гликолиз
Анаэробный гликолиз – это ферментативный распад глюкозы до молочной кислоты
(лактата) без потребления кислорода (см. схему на стр.). Все реакции гликолиза
происходят в цитозоле.
Происходит в мышцах в первые минуты интенсивной работы, эритроцитах (нет
митохондрий), в различных органах при недостаточном снабжении их кислородом
(гипоксия), а также в опухолевых клетках. В этих условиях гликолиз является
единственным способом получения энергии для синтеза АТФ из АДФ и Фн.
1 стадия - энергопотребляющая, в которой глюкоза дважды фосфорилируется
(активируется) с затратой 2АТФ и дихотомически делится на два
фосфорилированных С3 фрагмента - фосфотриозы: фосфодиоксиацетон и 3фосфоглицериновый альдегид, которые взаимопревращаются, но во вторую стадию
непосредственно включается 3-фосфоглицериновый альдегид.
2 стадия - энергогенерирующая стадия (гликолитическая оксидоредукция), в
которой происходит окисление (дегидрирование) 3-фосфоглицеральдегида и
восстановление НАД+ в НАДН. Кроме того, во второй стадии происходят две реакции
субстратного фосфорилирования (7-я и 10-я реакции), каждая из них дает 2АТФ в
расчете на одну молекулу глюкозы (т.к. в результате дихотомии образовалось две
фосфотриозы и каждая далее превращается в пируват). Таким образом, во второй
стадии образуется 4 молекулы АТФ.
НАДН Н+, образовавшийся при окислении 3фосфоглицеринового альдегида (6-я реакция),
глюкоза
в анаэробных условиях не может окисляться в
дыхательной цепи, поэтому восстанавливает
2НАД+
пируват до молочной кислоты (11-я реакция),
что обеспечивает регенерацию окисленного
НАД+ в отсутствие кислорода.
2НАДНН+
2 пируват в отсутствие О 2 лактат
2
Всего превращение глюкозы в лактат
сопровождается образованием (2х2-2)=2АТФ.
57
глюкоза
Анаэробный
гликолиз
энергопотребляющая
стадия
глюкоза
1
АТ
Ф
гексокиназа
глюкозо-6-фосфат
Реакции 1-3
Активация глюкозы путем
фосфорилирования
затрачено 2 моля АТФ
2
фруктозо-6-фосфат
3
фосфофруктокиназа
Реакция 4
Дихотомия – деление
6-углеродной молекулы
нп 2 фосфотриозы
АТ
Ф
фруктозо-1,6-дифосфат
Реакция 5
Изомеризация
триозофосфатов
4
5
3-фосфоглицериновый
альдегид
фосфодиоксиацетон
2 НАД+
Энергогенерирующая
стадия
(гликолитическая оксидоредукция)
6
Реакция 11
Восстановление
пирувата в
лактат
(используется
НАДН Н+ ,
обоазующийся в
6-й реации)
2 НАДН Н+
(2)1,3-дифосфоглицерат
7
Реакция 7
Субстратное
фосфорилированиеобразование 2 молей АТФ
2АТ
Ф
Реакции 8 и 9
Образование
макроэргического
соединения (и воды)
(2)3-фосфоглицерат
8
(2)2-фосфоглицерат
Реакция 10
Субстратное
фосфорилирование образование 2 молей АТФ
9
(2)фосфоенолпируват
10
пируваткиназа
Реакция 6
Образование 2 молей
НАДНН+ и
макроэргического
соединения
2АТ
Ф
11
(2) пируват
2 НАДН
(2)лактат
2 НАД+
58
1 - гексокиназа
2 - глюкозо-6-фосфат изомераза
3 – фосфофруктокиназа
4 – альдолаза
5 – триозофосфатизомераза
1 стадия
6 – глицеральдегидфосфатдегидрогеназа
7 – фосфоглицераткиназа
8 – фосфоглицеромутаза
9 – енолаза
10- пируваткиназа
11- лактатдегидрогеназа
2 стадия
Из 11 реакций анаэробного гликолиза три
реакции необратимы, остальные могут
протекать как в прямом, так и в обратном
направлениях. Необратимыми являются:
1 – гексокиназная;
3 – фосфофруктокиназная;
10 – пируваткиназная.
Ферменты, катализирующие необратимые
реакции, являются регуляторными, от их
активности
зависит
скорость
всего
метаболического процесса.
VI. Аэробный гликолиз и
глюконеогенез
глюкоза
Аэробный гликолиз – это окисление глюкозы
до двух молекул пирувата в кислородных
2НАД+
условиях. При этом образуется 2 моля
гликолитического НАДН Н+ , которые в
аэробных
условиях
восстанавливают
2НАДНН+
ЦПЭ кислород в цепи переноса электронов (ЦПЭ)
2 пируват
с образованием воды. Одновременно в
результате
окислительного
в присутствии
кослорода
фосфорилирования образуется 2х3=6 молей
АТФ.
Учитывая
субстратное
ацетил-КоА
фосфорилирование
гликолиза
(2АТФ),
выигрыш энергии при превращении глюкозы
в пируват составляет 8 АТФ (см. схему на
СО2
Н2О
стр. 55).
Далее пируват в присутствии кислорода окисляется в ацетил-КоА с образованием
3АТФ (за счет окислительного фосфорилирования), а ацетил-КоА окисляется в ЦТК с
образованием СО2,
Н2О и 12АТФ. Таким образом, при окислении пирувата до
углекислого газа и воды образуется 15АТФ, а т.к. из глюкозы образуется 2 моля
пирувата, то они при «сгорании» дают 30АТФ. Всего полное окисление глюкозы в
кислородных условиях дает 30+8=38 молей АТФ.
Аэробное окисление глюкозы является намного более выгодным процессом, т.е.
глюкоза расходуется более экономно (медленно) по сравнению с анаэробным
гликолизом.
Поэтому при переключении с анаэробного на аэробный путь снижается скорость
расходования глюкозы и прекращается накопление лактата (эффект Пастера).
Молекулярный механизм этого эффекта состоит в конкуренции между дыханием и
гликолизом за АДФ, необходимым для образования АТФ.
59
Энергопотребляющая
стадия
Аэробный и анаэробный гликолиз
глюкоза
Затрачено 2 моля
АТФ
на активацию
одной молекулы
глюкозы
АТ
Ф
1
2
АТ
Ф
3
фруктозо-1,6дифосфат
4
5
3-фосфоглицеральдегид
Образуется 2 моля
НАДН.Н+
В
анаэробных
условиях
НАДНН+ используется
на
восстановление
пирувата в лактат
В аэробных условиях
НАДНН+ используется
на
восстановления
кислорода
с
образованием воды в
процессе
тканевого
дыхания.
При этом образуется
6 молей АТФ за счет
окислительного
фосфорилирования.
2 НАД+
6
Энергогенерирующая
стадия
фосфодиоксиацетон
2 НАДН Н+
2моля
Образуется
2 моля пирувата и
4 моля АТФ
за счет субстратного
фосфорилирования
1,3-дифосфоглицерат
2АТ
Ф
7
3-фосфоглицерат
2моля
8
Н2О
9
2моля
фосфоенолпируват
10
При
окислении
2
молей
пирувата до
СО2 и Н2О
образуется
30 АТФ
2АТФ
(2) лактат
(2) пируват
2 НАД+
2 НАДН
2 НАД+
2 НАДН
2ацетил-SКоА
АТ
Ф
СО2
ЦТК
Н2О
60
ГЛИКОЛИЗ
И
ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ
ГЛЮКОЗА
1
IV
глюкозо-6-фосфат
фруктозо-6-фосфат
3
липиды
глицерин
фруктозо1,6-дифосфат
(2) З-фосфоглицеральдегид
2 НАД+
Специфические
ферменты
глюконеогенеза
I – пируваткарбоксилаза
II – ФЭПкарбоксикиназа
III – фруктозо-1,6бисфосфатаза
IV -- глюкозо-6-фосфатаза
III
Специфические
ферменты
гликолиза
2 НАДН Н+
1 – гексокиназа
3 – фосфофруктокиназа
10 – пируваткиназа
(2) 1,3-дифосфоглицерат
2АТ
Ф
белки
мышц
(2) 3- фосфоглицерат
2ГТФ
белки
мышц
(2) фосфоенолпируват
(ФЕП)
10
аминокислоты
61
аминокислоты
(2) пируват
(2) лактат
II
(2) оксалоацетат
I
2АТ
Ф
Цикл Кори
глюкоза гликолиз лактат
глюкоза
кровь
лактат
глюкоза глюконеогенез лактат
Глюконеогенез является процессом, обратным гликолизу,
за исключением необратимых реакций гликолиза (1, 3,
10), которые в глюконеогенезе идут с помощью других
(специфичных
для
глюконеогенеза)
ферментов:
глюкозо-6-фосфатазы,
фруктозо-1,6-бисфосфатазы,
фосфоенолпируваткарбоксикиназы
(ФЕПКК),
пируваткарбоксилазы, а также различных трансаминаз.
Происходит преимущественно в печени и почках.
Новообразование глюкозы из аминокислот и глицерина
активируется при голодании под действием гормонов
глюкокортикоидов.
В интенсивно работающей мышце в результате анаэробного
гликолиза образуется лактат, который выходит в кровь,
поступает в печень, где превращается в глюкозу путем
глюконеогенеза. Это глюкозо-лактатный цикл или цикл Кори.
Регуляторные ферметы гликолиза:
Направление метаболизма
глюкозы в печени связано с
гексокиназа
ритмом питания.
фруктозоРегуляция противоположно
6-фосфат
цитрат
направленных процессов –
фосфофруктокиназа
гликолиза и глюконеогенеза
АМФ
АТФ
направлена
на
их
необратимые стадии. Так
как совершенно невозможно
АТФ
одновременное протекание
пируваткиназа
синтеза и распада глюкозы,
ацетил-КоА
согласование
этих
Регуляторные ферменты глюконеогенеза:
процессов обеспечивается
регуляцией
активности
ацетилпируваткарбоксилаз
специфических ферментов
SКоА
а
гликолиза и глюконеогенеза.
фруктозо-1,6Если клетка испытывает
АТФ
АМФ
дифосфатаза
потребность в АТФ, то
активируется
гликолиз,
тогда как во врмя голодания
глюкагон
глюкозо-6адреналин
инсулин печень поставляет глюкозу в
фосфатаза
кровь
благодаря
глюкоглюконеогенезу.
кортикоиды
ФЕПкарбоксикиназ
а
62
глюкозо6-фосфат
VII. Спиртовое брожение
глюкоза
Спиртовое брожение – это превращение глюкозы в этиловый спирт
под действием ферментов дрожжей. При этом глюкоза
дихотомически делится, образуется пируват, но, в отличие от
анаэробного гликолиза, пируват далее декарбоксилируется с
образованием уксусного альдегида (ацетальдегид). Затем с помощью
алкогольдегидрогеназы ацетальдегид восстанавливается в этанол.
НАДНН+
НАД+
ТПФ
пируватдекарбоксилаза
пируват
алкогольдегидрогеназа
ацетальдегид
этанол
Метаболизм этилового спирта
В организме человека метаболизм этилового спирта включает окисление до уксусной
кислоты, которая превращается в ацетил-КоА и в таком виде вовлекается в ЦТК:
НАД+
этанол
НАДН Н+
алкогольдегидрогеназа
НАД+
ацетальдегид
НАДН Н+
ОН
ацетальдегиддегидрогеназа
ацетат
Метаболизм этанола происходит в основном в печени (до
90%). Обмен этилового спирта происходит быстро,
поэтому при поступлении в организм больших количеств
алкоголя резко уменьшается отношение НАД+/НАДН+.
Это ведет к тому, что обратимая реакция превращения
пирувата в лактат будет сдвинута в сторону лактата:
НАДНН+
пируват
ацетил-КоА
АТ
Ф
СО2
Н2О
НАД+
лактатдегидрогеназа
лактат
Другими словами, концентрация лактата в клетке (и в крови) возрастет, а пирувата –
уменьшится. Это приведет к снижению глюконеогенеза в печени, т.к. пируват является
предшественником в новообразовании глюкозы. При снижении запасов гликогена в
печени и мышцах (после физической работы, приеме алкоголя натощак) может
развиться выраженная гипоглюкоземия (вплоть до потери сознания). Кроме того,
снижение использования лактата как субстрата глюконеогенеза приводит к
лактоацидозу – понижению рН крови.
63
VIII. Апотомический распад глюкозы –
прямое окисление глюкозы - пентозо-фосфатный путь.
Кроме дихотомии существует альтернативный метаболический процесс прямого
окисления глюкозы – пентозо-фосфатный путь (ПФП), который не связан
непосредственно с дыхательной цепью переноса электронов и окислительным
фосфорилированием. В нем образуются другой тип носителей метаболической энергии
– восстановленные коферменты НАДФН+, несущие водороды окисленной глюкозы,
которые в дальнейшем используются в восстановительных синтезах жиров,
биохимически важного трипептида глутатиона и др. Вторая функция ПФП –
образование фосфопентоз, необходимых для синтеза нуклеотидов.
Этот процесс включает две стадии:
1 стадия – окислительная, в ходе которой глюкоза в активной форме (глюкозо-6фосфат) непосредственно (прямо) окисляется, а затем декарбоксилируется (апотомия
-отщепление «apex» - верхушки - одного атома углерода в виде углекислого газа) с
образованием фосфопентоз и НАДФН+.
2 стадия – неокислительная (стадия изомерных преобразований), в ходе которых
фосфорибозы (6 молекул) снова превращаются в исходный глюкозо-6-фосфат (5
молекул).
неокислительная
стадия
окислительная
стадия
глюкоза-6-фосфат
НАДФ+
глутатион восстановленный
глутатионредуктаза
НАДФН+
транскетолаза
трансальдолаза
6-фосфоглюконат
жирные кислоты, холестерин
НАДФ+
СО
2
рибулозо-5-фосфат
глутатион окисленный
НАДФН+
восстановительные
биосинтезы
предшественники
рибозо-5-фосфат
нуклеотиды,
коферменты
ДНК, РНК
64
1. Окислительная стадия
Н СО Н
2. Неокислительная стадия
(взаимопревращения фосфопентоз)
глюкозо6-фосфат
глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа
6 молекул
рибулозо-5-фосфат
Р
НАДФ+
НАДФН+
2 С5
рибозо5-фосфат
2 С5
2С5
ксилулозо5-фосфат
ксилулозо5-фосфат
транскетолаза
6-фосфоглюконолактон
2 С7
седогептулозо7-фосфат
Р
2С3
глицеральдегид3-фосфат
трансальдолаза
лактоназа
2С6
«apex»
фруктозо6-фосфат
2С4
эритрозо4-фосфат
6-фосфо- Н ОСН
глюконат
6-фосфоглюконатдегидрогеназа
2С3
2С6
апотомия
рибулозо-5фосфат
глицеральдегид3-фосфат
фруктозо6-фосфат
Р
НАДФ+
НАДФН+
фосфопентоизомераза
транскетолаза
2 молекулы
глюкозо6-фосфат
2 молекулы
глюкозо6-фосфат
1 молекула
глюкозо6-фосфат
Суммарное уравнение пентозофосфатного цикла:
Р
6 глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ+ + 7Н2О
1-я и 2-я стадии
рибозо-5фосфат
65
5 глюкозо-6-фосфат + 12
Р
НАДФН+ + 6 СО2 +
Р
Функция неокислительной стадии состоит в том, чтобы производство
пентозофосфатов соответствовало метаболическим потребностям клетки. Обычно
потребность в НАДФН+ намного выше, чем в пентозофосфатах. С помощью этого пути
избыток пентоз, превышающий потребности клетки, может быть возвращен в фонд
гексоз.
В жировой ткани, где требуются большие
количества восстановительных эквивалентов
(НАДФН+)
для
синтеза
жиров,
а
фосфопентозы маловостребованы, активно
протекают обе стадии, т.е. процесс имеет
циклический характер и в тком случае его
называют пентозо-фосфатный цикл.
В других тканях (печень, надпочечники,
половые железы, лактирующая молочная
железа),
где
активно
используются
фосфопентозы для синтеза нуклеиновых
кислот, вторая стадия может не происходить,
т.е. реализуется пентозо-фосфатный путь.
Если наряду с НАДФН+ клетке требуется энергия в форме АТФ, продукты
восстановительной части ПФП (фруктозо-6-фосфат и 3-фосфоглицериновый альдегид)
включаются в гликолиз и далее в ЦТК и дыхательную цепь с образованием СО2 и воды.
Таким образом, благодаря общим метаболитам - фруктозо-6-фосфату и 3фосфоглицериновому альдегиду, - возможно переключение ПФП на гликолиз в
соответствии с метаболическими потребностями клетки. В таком случае ПФП
называют пентозо-фосфатным шунтом.
ПФЦ активно функционирует в эритроцитах. Биологическая роль этого процесса
для эритроцитов заключается в том, что продуцируемый НАДФН+ используется в
этих клетках для противодействия перекисному окислению ненасыщенных жирных
кислот фосфолипидов мембран эритроцитов, т.е. предотвращает гемолиз эритроцитов.
При наследственном дефекте пускового фермента ПФЦ – глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы отмечается склонность эритроцитов больных к гемолизу, особенно при
приеме окислителей и некоторых лекарственных препаратов (сульфаниламидов,
аспирина, примахина - противомалярийного препарата).
66
IX. Взаимопревращения моносахаров –включение других гексоз в обмен глюкозы
мальтоза
лактоза
лактаза
мальтаза
гликоген
галактоза
галактокиназа
фофорилаза
сахароза
АТФ
глюкоза
сахараза
гексокиназа
фруктокиназа
АТФ
гексокиназа
фруктозо-1-фосфат
глюкозо1-фосфат
галактозо1-фосфат
УДФ-глюкоза
АТФ
фруктоза
галакто-1-фосфатуридилтрансферазааза
АТФ
глюкозо6-фосфат
УДФ-галактоза
фруктозо6-фосфат
фруктозо-1-фосфатальдолаза
фруктозоглицеральдегид + фосфодиокси- 1,6-дифосфат
ацетон
АТФ
триозокиназа
Нарушения обмена фруктозы
3-фосфоглицеральдегид
Наследственные
энзимопатии
Непереносимость фруктозы – дефект
фермента
фруктозо-1-фосфатальдолазы,
при этом накапливается фруктозо-1-фосфат,
который ингибирует распад гликогена. В
результате
развивается
фруктоземия,
фруктозурия и тяжелая гипогликемия.
Эссенциальная фруктоземия – дефект
фермента фруктокиназы, при
котором
повышается выведение фруктозы с мочой,
что не сопровождается выраженными
67
клиническими проявлениями.
пируват
СО2 + Н2О
Нарушения обмена галактозы
Галактоземия – дефект фермента
галактозо-1-фосфат-уридилтрансферазы, вследствие чего в
крови и внутренних органах
накапливается
галактоза
и
галактозо-1-фосфат. Клинически
проявляется
помутнением
кристалика, увеличением печени,
задержкой умственного развития.
Проявляется в раннем возрасте
при употреблении молока.
Задания для самопроверки и самокоррекции
Задача 1. Экспериментальным путем выявлено, что превращение пирувата в
фосфоенолпируват происходит в присутствии витамина. Какого именно?
A. Рибофлавина
B. Тиамина
C. Пиридоксина
D. Биотина
E. Убихинона
Задача 2. В клинику госпитализирована студентка 20 лет, которая в течение
длительного времени питалась в основном очищенным рисом. Врач поставил
предварительный диагноз: полиневрит (бери-бери). Какой биохимический
критерий диагностики можно выбрать для подтверждения диагноза?
А. Определение глюкозы в крови
В. Определение пировиноградной кислоты в крови
С. Определение альфа-липопротеинов в крови
D. Определение кетоновых тел в крови
Е. Определение мочевины в крови
Задача 3. В ходе экспериментального исследования выявлено, что в образовании
сукцинил-КоА в цикле трикарбоновых кислот принимает участие
мультиферментный комплекс. Выберете его коферменты.
А. ТПФ, ЛК, НАД, ФМН, КоАSH
B. ТПФ, НАД, ТГФК, ФАД, ФМН
C. ТПФ, ЛК, КоАSH, ФАД, НАД
D. ТПФ, ФАД, ФМН, ЛК, НАД
E. КоАSH, НАДФ, ЛК, ФАД, ФМН
Задача 4 . У пациента увеличена печень, отмечается выраженная гипогликемия
между приемами пищи. Биопсия печени показала избыточное содержание
гликогена измененной структуры (короткие внешние ветви). Какова причина
заболевания?
А. Недостаток инсулина
B.Дефект амило-1,6- глюкозидазы
C.Дефект гликогенсинтазы
D.Дефект лактазы
E.Нарушение глюконеогенеза
Правильность решения проверьте, сопоставив их с эталонами ответов.
1-D, 3-C, 5-C.
49
РАЗДЕЛ 5. ОБМЕН ЛИПИДОВ
Липиды – разнообразные по структуре органические вещества, у которых общее
свойство – гидрофобность.
I. Основные классы липидов
1. Нейтральные жиры – триацилглицерины (ТАГ) – эфиры глицерина и
высших жирных кислот (ВЖК)
насыщенный
ацил
ненасыщенный
ацил
насыщенный
ацил
ТАГ – самая компактная и энергоемкая форма
хранения энергии. Это гидрофобные вещества,
благодаря чему они образуют структуры,
изолированные от воды (капли жира).
2. Глицерофосфолипиды– дифильные вещества,
что позволяет им образовывать
бислойные структуры мембран.
гидрофобные
«хвосты»
RСООН
Высшие жирные кислоты
входят в состав большинства
липидов человека. Наряду с
глюкозой
являются
важнейшими
«топливными
молекулами» - источниками
энергии (благодаря большому
количеству атомов водорода в
их составе), например:
насыщенные жирные кислоты
С15Н31СООН пальмитиновая
С17Н35СООН стеариновая
ненасыщенные жирные кислоты
С17Н33СООН олеиновая
С17Н31СООН линолевая
С17Н29СООН линоленовая
С19Н31СООН арахидоновая
этаноламин
гидрофильная
«голова»
Х
холин
серин
гидрофильная
«голова»
3. Стероиды –дифильные
вещества:
холестерин;
стероидные гормоны;
желчные кислоты;
витамин D.
гидрофильная
часть
Свободные жирные кислоты –
амфифильные
(дифильные)
вещества,
т.к.
имеют
гидрофильную
(заряженную)
«голову»
и
гидрофобный
(незаряженный) «хвост»:
гидрофобный
«хвост»
гидрофобная
часть
насыщенная
ВЖК
ненасыщенная
69
ВЖК
II. Переваривания липидов
Переваривание нейтральных жиров– это постадийный гидролиз триацилглицеридов с помощью панкреатической
липазы (липолиз)
предварительно эмульгированный жир;
Условия
активная панкреатическая липаза ( рН 7,5 - 8)
переваривания:
панкреатический белок колипаза,
наличие дифильных желчных кислот
жиры
пищи
холевая
кислота
желудок
гидрофильная
сторона
желчная
кислота
соли
желчный
желчных кислот пузырь
панкреатические
липаза и колипаза
гидрофобная сторона
двенадцатиперстная
кишка
вода
мицелла
ТАГ
желчные
кислоты
поджелудочная
железа
тонкая кишка
Желчные
кислоты
ОН
синтезируются в печени
12
из
холестерина,
таурохолевая
конъюгируют
с
(парная желчная кислота)
7
глицином
или НО 3
ОН
таурином,
образуя
Желчные кислоты
замещение при
желчные соли (парные
С-3
С-7
С-12
желчные кислоты) и в
составе
желчи холевая
поступают в желчный
хенодезоксихолевая
-Н
пузырь, а затем в
дезоксихолевая
-Н
70 тонкий кишечник.
Функции
желчных
кислот:
эмульгируют
жиры;
активируют
липазу;
участвуют в
всасывании
продуктов
липолиза.
Этапы переваривания, всасывания и транспорта ТАГ
Пищевые
жиры
желчный
пузырь
желчные
кислоты
10. ВЖК в клетке (миоците)
окисляются до конечных
продуктов с образованием АТФ
или запасаются (в адипоците),
включаясь в синтез ТАГ.
желудок
рН 1,5-2
неблагоприятные
условия для
переваривания
липидов
тонкая
кишка
1. Соли желчных кислот
эмульгируют пищевые
жиры в тонком
кишечнике, образуя
смешанные мицеллы.
2. Панкреатическая
липаза (и колипаза)
расщепляет ТАГ
до ВЖК и МАГ
(гидролиз до глицерина
происходит в незначительной
степени ).
11. Часть ВЖК
связывается с
альбуминами
крови и
уносится
с ее током.
миоцит
или
адипоцит
ВЖК
5. 90% желчных
кислот
всасывается
из кишечника
в кровь,
поступает в
печень, где
снова
используется
в желчеобразовании
(энтерогепатическая
циркуляция –
7-8 оборотов в
сутки).
АТФ
9.Часть ВЖК
попадет в
клетки
жировой
ткани,
миокарда,
скелетных
мышц,
молочных
желез.
липопротеинлипаза
8. ЛП-липаза, активируемая
апоС II, на поверхности
эндотелия капилляров
жировой ткани расщепляет
ТАГ, содержащиеся в
хиломикронах, на ВЖК и
глицерин.
капилляр
стенка
кишечника
3. ВЖК и МАГ всасываются
в стенку кишечника в виде
мицелл с дифильными
желчными кислотами,
фосфолипидами и
холестерином.
АпоСII
7. Хиломикроны переносят
пищевые ТАГ по
лимфатической системе и
кровеносным сосудам к
тканям ( жировая ткань,
скелетные мышцы, миокард
и др.).
хиломикрон
ВЖК
4. В слизистой оболочке кишечника
мицелла распадается, из МАГ
и жирных кислот происходит ресинтез
специфических для человеческого
организма ТАГ.
ТАГ
ТАГ
6. В эпителиальных клетках слизистой кишечника
ТАГ, фосфолипиды, холестерин и апопротеины
«упаковываются» в хиломикроны –
липопротеины, транспортирующие экзогенные
жиры от кишечника к тканям.
71
Переваривание глицерофосфолипидов
Глицерофосфолипиды (ФЛ)
перевариваются с помощью фосфолипаз, которые
гидролизуют эфирные связи в молекуле глицерофосфолипида (например,
фосфатидилинозитолдифосфата).
Продукты переваривания фосфолипидов:
фосфолипаза А1
R1СООН - насыщенная жирная кислота
R2СООН - ненасыщенная жирная кислота
фосфолипаза А2
фосфолипаза С
фосфорная кислота
фосфатидилинозитолдифосфат
фосфолипаза D
глицерин
Н
инозитолдифосфат (ИФ2)
Панкреатическая фосфолипаза А2 поступает в тонкую кишку в неактивной форме и
активируется трипсином путем частичного протеолиза. В результате ее действия
образуются токсичные лизофосфолипиды, которые не накапливаются, т.к. практически
одновременно на фосфолипиды действуют кишечные фосфолипазы А1, С и D.
Переваривание эфиров холестерина
RСООН
+
Н2О
холестеролэстераза
эфир холестерина (ЭХС)
холестерин (ХС)
Эфиры ходестерина, поступившие в составе пищи животного происхождения
(растительные стероиды не усваиваются),
расщепляются кишечной или
панкреатической холестеролэстеразой до свободных жирных кислот и холестерина.
При нарушении переваривания и всасывания жиров (панкреатит, желчно-каменная
болезнь, болезни кишечника) непереваренные жиры выводятся из организма –
72
развивается стеаторея - «жировой стул».
Ресинтез специфических жиров в стенке кишечника
Поступившие в стенку кишечника МАГ могут преобразовываться двумя путями:
- липолиз до глицерина и ВЖК;
- ресинтез собственного специфического ТАГ с участием 2 молекул ацилКоА:
III. Транспортные формы экзогенных липидов –
хиломикроны
Хиломикроны являются основной молекулярной
апопротеины
формой, в виде которой ресинтезированные ТАГ
проходят через латеральную мембрану энтероцитов и
через систему лимфатических сосудов поступают в
лимфатических проток, а затем - в кровь, по которой
транспортируют пищевые жиры к тканям.
Хиломикроны, самые крупные липопротеиновые
частицы (состоят из липидов и протеинов), имеют
диаметр 100-1000 нм, образуются в слизистой
кишечника.
Они
преимущественно
содержат
гидрофобные ТАГ (до 90%) , находящиеся в ядре этой
фосфочастицы
вместе
с
гидрофобными
эфирами
липиды
холестерин
холестерина,
а
также
небольшие
количества
триацлглицериды
дифильных фосфолипидов, свободного холестерина и
и эфиры холестерина
белка, которые формируют амфифильную оболочку.
Основной функцией хиломикронов является перенос пищевых ТАГ из кишечника , где
происходит их всасывание, через кровяное русло к тканям. Концентрация
хиломикронов в плазме крови обычно достигает максимума через 3-6 часов после
приема жирной пищи, а затем постепенно снижается. Скорость удаления этих частиц
из плазмы довольно высока. У здоровых людей, голодавших в течении 12 часов,
хиломикроны не обнаруживаются. Это происходит благодаря действию
липопротеинлпазы – фермента, который находится на поверхности эндотелия
кровеносных сосудов тканей (жировой, скелетных мыщц, миокарда). Этот фермент
«узнает» хиломикроны, взаимодействуя с апоСII, который является его кофактором, и
гидролизует нейтральные жиры (ТАГ) в составе хиломикронов до глицерина и ВЖК.
После такой делипидации получаются остаточные хиломикроны, которые
73
захватываются печенью, где окончательно распадаются.
Катаболизм триацилглицеролов
Как было указано выше, ТАГ поступают
в организм человека в качестве
ТАГ
компонентов животной и растительной
в составе
пищи. После переваривания, всасывания
ХМ
и биохимических превращениях в
энтероцитах, крови и печени ТАГ
депонируются в адипоцитах – клетках
ТАГ
жировая
в составе
жировой ткани (в значительно меньших
ткань
ЛПОНП
количествах ТАГ находятся в клетках
ВЖК +
(депо ТАГ)
других органов, например, печени).
альбумины
Накопление резервов ТАГ является
мышцы
наиболее эффективным механизмом
печень
аккумулирования
метаболической
сердце
энергии
(благодаря
высокой
насыщенности
атомами
водорода
СО2 АТФ Н2О
молекулы ТАГ при окислении дают
гараздо большее количество энергии по
сравнению с углеводами и белками.)
гормон
(адреналин, глюкагон)
IV. Внутриклеточный липолиз
ТАГ могут выполнить свою энергетическую функцию
неактивная
только предварительно расщепившись на жирные
аденилатциклаза
кислоты и глицерин путем внутриклеточного липолиза.
активная
Этот процесс мобилизации жирных кислот из
аденилатциклаза
жировой ткани происходит под действием тканевых
АТФ
липаз (Е1, Е2, Е3), из которых Е1 – ТАГ-липаза является
гормонзависимой, т.е. регулируется многими гормонами,
например, активируется адреналином (при стрессе),
цАМФ
глюкагоном (при голодании), ингибируется инсулином.
неактивная
Контроль
активности
ТАГ-липазы
протеинкиназа
осуществляется по каскадному механизму
активная
гормональной регуляции функций клеток
протеинкиназа
(см. раздел «Гормональная регуляция»).
АТФ
Непосредственно ТАГ-липаза активируется
неактивная
путем фосфорилирования. Образовавшиеся
триглицеридлипаза
ВЖК являются субстратами окисления для
Е1
многих тканей, кроме мозга (миокарда,
активная
триглицеридлипаза
скелетных мышц, печени) .
Е2
Е3
ТАГ
ДАГ
МАГ
глицерин
74
ВЖК
ВЖК
ВЖК
Окисление глицерина
АТФ АДФ
глицерин
глицеролкиназа
НАД+ НАДН
фосфоглицеролP
дегидрогеназа
фосфоглицерол
фосфодиоксиацетон
P
2
Глицерин
активируется
путем
фосфорилирования
(затрачивается 1 АТФ), образовавшийся фосфоглицерол
дегидрируется (при этом образуется НАДН, который передает
водороды в дыхательную цепь, что сопряжено с синтезом 3
АТФ).
Образовавшийся
фосфодиоксиацетон,
являясь
метаболитом гликолиза, превращается в фосфоглицериновый
альдегид, который, окисляется во второй стадии гликолиза до
пирувата (при этом образуется 3 АТФ за счет окислительного
фосфорилирования и 2 АТФ – за счет субстратного). В аэробных
условиях пируват окисляется до ацетил-КоА (образуется 3
АТФ), который в ЦТК «сгорает» до СО2 и Н2О с образованием
12 АТФ. Таким образом, при окислении глицерина до конечных
продуктов образуется 22 АТФ.
P
3-фосфоглицеральдегид
20
пируват
ацетил-SКоА
ЦТ
К
Н2О
СО2
V. Окисление высшх жирных кислот
1. Активация ВЖК в цитоплазме клеток
RCOOH + HSKoA
АТФ
АМФ + ФФ
ацил-КоА-синтетаза
R-CO- SKoA
2. Перенос ацил- КоА из цитозоля в матрикс митохондрии с помошью карнитина
Окисление ВЖК происходит в митохондрии,
но внутренняя мембрана митохондрий
непроницаема для ацил-КоА,
поэтому ацил переносится
в
комплексе
с
карнитином, работающим
карнитин
по челночному принципу.
75
β-Окисление высших жирных кислот
Митохондриальное окисление высших жирных кислот (ВЖК) происходит в 3 стадии. В
1 стадии (β-окисление) ВЖК подвергается окислительной деградации с отщеплением
2-х углеродного фрагмента в виде ацетил-SКоА, начиная от карбоксильного конца
окисляемого ацила.
Например,
при
окислении
пальмитиновой кислоты (n=16)
S-КоА
образуется n/2=8 молекул ацетилпальмитоил- S-КоА
SКоА, которые вступают во 2-ю
ФАД
стадию окисления ВЖК - цикл
ацил-SКоА1 дегидрогеназа
2АТФ
Кребса. В этой стадии ацетильные
ФАДН2
в ЦПЭ
группы окисляются до СО2 и
поставляют атомы водорода в
S-КоА
еноил- S-КоА
дыхательню цепь.
2
β-оксиаци-SКоАдегидрогеназа
3
4
Стадия 1
еноил-SКоАгидратаза
число циклов
β-окисления
(n/2-1)=7
НАД+
в ЦПЭ
3АТФ
S-КоА
ацетил -SКоА
Эти 4 последовательные реакции (цикл β-окисления)
повторяются до тех пор, пока вся жирная кислота,
имеющая четное число атомов углерода (n),
превратится в n/2 молекул ацетил-SКоА:
С14
С12
С10
С8
С6
С4
ЦТК
S-КоА
β-кетоацилНS-КоА
S-КоА
ацил-S-КоА
8ацетил-SКоА
S-КоА
β-оксиацил- S-КоА
НАДНН+
тиолаза
β-Окисление
Стадия 2
НАДН, ФАДН2
Стадия 3
цепь
переноса
электронов
АДФ+Ф
АТФ
В 3-й стадии водороды от НАДН и ФАДН2 поступают в
дыхательную цепь и восстанавливают кислород с
образованием воды (жиры – источники эндогенной воды).
При этом энергия окисления ВЖК конвертируется в
молекулы АТФ. При окислении 8 молекул ацетил-КоА
образуется 8х12=96АТФ. Кроме того, происходит 7 циклов
окисления, каждый дает 5АТФ (за счет окисления НАДН и
ФАДН2), т.е. 7х5=35АТФ. Всего 141-1* = 140 АТФ.
76
(* 1 молекула АТФ затрачена на активацию ВЖК).
VI. Метаболизм кетоновых тел
Синтез кетоновых тел
SКоА
SКоА
2 ацетил-SКоА
тиолаза
SКоА
β-оксиметилглутарил-SКоА (ОМГ- SКоА)
ацетоацетат и βгидроксибутират
экспортируются
как источники
энергии для
скелетных мышц,
сердца, мозга.
кетоновые тела
НSКоА
SКоА
ацетоацетил-SКоА
ацетил-SКоА
ОМГ- SКоАсинтетаза
НSКоА
ОМГ- SКоАлиаза
липидная
капля
НSКоА
ВЖК
ацетил-SКоА
оксалоацетат ЦТК
глюкоза
экспортируется
как топливо
для мозга и
других
тканей
глюкоза
гепатоцит
ацетил-SКоА
Утилизация
кетоновых тел
ацетоацетат
β-оксибутират
дегидрогеназа
НАДН
НАД+
β-оксибутират
β-оксибутират
дегидрогеназа
НАДН
НАД+
ацетоацетат
ацетон
β-оксибутират
сукцинил- SКоА
β-кетоацилКоА
трансфераза
сукцинат
кетоновые
кетоновые тела
тела
SКоА
Кетоновые тела синтезируются только в печени ацетоацетил-SКоА
НSКоА
тиолаза
(первая реакция – в цитозоле, остальные – в
митохондриях гепатоцитов), но никогда в ней не
используются. Они диффундируют в кровь и
используются как альтернативное метаболическое
SКоА
SКоА
топливо для внепеченочных тканей: миокарда,
2 ацетил-SКоА
скелетных мышц, коркового слоя надпочечников и в
условиях голодания - мозга.
В норме концентрация кетоновых тел в крови невысока (10-20 мг/
ЦТ
л), но резко возрастает при голодании и сахарном диабете,
К
СО2
когда создаются биохимические условия для их усиленного
АТФ
синтеза, что ведет к кетонемии (кетоацидозу) и кетонурии.
77
НО
2
VII. Синтез холестерина
ВЖК
биомембраны
стероидные
гормоны
глюкоза
витамин D3
желчные
кислоты
ПФП
холестерин
НАДФН+
ланостерин
НАДФН+
сквален
2НАДФН+
2НАДФ+
изопентенилдифосфат
Н2ОН
ОМГ- SКоА- редуктаза
β-оксиметилглутарил-SКоА (ОМГ- SКоА)
мевалоновая
кислота
Синтез эндогенного холестерина происходит преимущественно в печени (50-80%),
кишечнике (10-15%), а также в коже (до 5%), коре надпочечников и репродуктивных
органах. Биосинтез холестерина начинается с ацетил-КоА. Углеродный скелет
С27стерина строится из С2-звеньев в длинной и сложной последовательности реакций.
Биосинтез холестерина можно разделить на четыре этапа.
На первом этапе из трех молекул ацетил-КоА образуется мевалонат (С6). Первые
реакции полностью совпадают с синтезом кетоновых тел (но происходят в цитоплазме
гептоцитов) до ОМГ-SКоА, который на пути синтеза холестерина восстанавливается до
мевалоновой кислоты. Регуляторный фермент этого синтеза - ОМГ-SКоА-редуктаза,
коферментом которого является НАДФН+ (поставляется в основном из пентозофосфатного пути окисления глюкозы). Активность этого фермента ингибируется
холестерином и ЛПНП по принципу обратной отрицательной связи. Данный фермент
ингибируется путем фосфорилирования (дефосфорилированная форма - активна).
На втором этапе мевалонат превращается в «активный изопрен»,
изопентенилдифосфат.
На третьем этапе шесть молекул изопрена полимеризуются с образованием сквалена
(С30).
На четвертом этапе сквален циклизуется в ланостерин (С30), от которого
отщепляются три метильные группы и образуется холестерин (С27). На схеме
78 представлены наиболее важные промежуточные продукты этого биосинтеза.
Поступление с пищей
(экзогенный холестерин)
0,3-0,5 г в сутки
структура мембран
и липопротеинов
синтез и выведение
желчных кислот
~ 1,0-1,3 г в сутки
Синтез из ацетилКоА
(эндогенный холестерин)
до 1 г в сутки
фонд холестерина
в организме
выведение
с фекалиями
~0,5-0,7 г в сутки
синтез стероидных
гормонов ~40 мг в сутки
выведение с
кожным салом
~ 0,1 г в сутки
синтез
витамина D3
~10 мг в сутки
Фонд холестерина складывается из:
свободного холестерола – наибольшая
фракция, включающая холестерин мембран и
оболочки липопротеинов крови.
эфиров холестерина – гидрофобных молекул,
которые являются запасной формой
холестерина в организме. Находится в
холестерин
липидных тканях цитозоля клеток и ядрах
липопротеинов. Эфиры образуются путем
этерификации холестерола ненасыщенной
фосфатидилхолин (лецитин)
жирной кислотой (из лецитина) с помощью
фермента лецитинхолестеролацетил
лецитинхолестеролтрансферазы (ЛХАТ) или ацилированием
ацетилтрансфераза
холестерина с помощью ацил-КоА и ацил(ЛХАТ)
холестеролацилтрансферазы (АХАТ).
В организме взрослого человека содержится
~140 г холестерина, из которых более 90%
эфир
находится в тканях, особенно в нервной,
холестерина
мышечной, соединительной и жировой, а также
в надпочечниках. До 10% холестерина
содержится в плазме крови и лимфе в составе
липопротеинов (основная часть в виде эфиров).
лизофосфатидилхолин
С возрастом холестерин накапливается в
организме, поэтому у взрослых концентрация
холестерина в плазме крови выше, чем у детей и
составляет в норме 5,2 _+ 1,3 ммоль/л.
Холестерин – чрезвычайно важное соединение в организме человека, которое помимо
структурной функции (компонент клеточных мембран) является предшественником
многих биологически значимых соединений: всех стероидных гормонов (половых –
мужских и женских, кортикостероидов), антирахитического витамина D3, а также
79
желчных кислот, т.е. всех стероидов в организме.
VIII. Липопротеиды – транспортные формы липидов
фосфолипиды
апоВ-100
Все
липиды
попадают
в
плазму
в
форме
макромолекулярных
комплексов,
называемых
липопротеидами. Липопротеиды (ЛП) - это сферические
частицы, состоящие из гидрофобного ядра и амфифильной
оболочки. Ядро содержит неполярные триацилглицериды
(ТАГ) и эфиры холестерина. Оболочка построена из
полярных липидов - холестерина и фосфолипидов,
причем заряженные концы этих молекул обращены наружу.
Кроме того, в состав оболочки входят белки, нековалентно ТАГ
холестерин
связанные с фосфолипидами и холестерином, называемые
эфиры холестерина
апопротеинами (А, В, С, D,E).
Различные апопротеины поддерживают структуру липопротеидных частиц,
активируют ЛП-липазу или обеспечивают их взаимодействие с белковыми
рецепторами липопротеинов. Циркулируя в крови, липопротеидные частицы
обмениваются между собой поверхностными липидами и апопротеинами.
Апопротеины служат "визитной карточкой" липопротеидов, поскольку рецепторы
липопротеидов на разных клетках распознают только определенные апопротеины.
ХМ
ЛПОНП
ЛПНП
ЛПВП
триглицериды
холестерин
фосфолипиды
хиломикроны
транспорт
липидов
из клеток
кишечника
липопротеины
очень низкой
плотности
транспорт
липидов,
которые
образуются
в печени
липопротеины
низкой
плотности
транспорт
холестерина
в ткани
атерогенные
липопротеины
высокой
плотности
транспорт
холестерина
из тканей в
печень
антиатерогенные
Липопротеиды подразделяют на несколько
классов в зависимости от их плотности
(оцениваемой ультрацентрифугированием) и
подвижности при электрофорезе. Плотность
липопротеидной
частицы
определяется Хиломикроны (х60000)
отношением апопротеины/липиды: чем
больше белка, тем выше плотность.
Подвижность при электрофорезе зависит от
содержания апопротеинов и полярных
липидов.
80
ЛПНП (х180000)
апопротеины
функции
ЛП
ЛПОНП (х180000)
ЛПВП (х180000)
кишечник
печень
ЛПВП
обратный
транспорт
холестерина
в печень
ЛПНП
остат.
ХМ
ЛПОНП
ХМ
капилляр
остат.
внепеченочные
ткани
ЛПОНП
предшественники ЛПВП
(из печени и кишечника)
ВЖК
жировая
ткань,
мышцы
липопротеинлипаза
Все липопротеины участвуют в транспорте холестерина и его
эфиров по крови и распределении их по органам.
Хиломикроны транспортируют экзогенный холестерин от
кишечника через кровь в печень.
ЛПОНП образуются в печени (в небольших количествах –
в кишечнике) и транспортируют экзо- и эндогенный
холестерин (наряду с другими липидами) через кровь к
плазма
плазма крови
тканям. Эти формы липопротеинов (ХМ и ЛПОНП) крови после послеприема
являютмя короткоживущими (полупериод их жизни голодания жирной пищи
составляет 1,5 – 2 часа).
Липопротеинлипаза (ЛП-липаза) на поверхности эндотелия сосудов расщепляет ТАГ
в составе хиломикронов и ЛПОНП, превращая их в остаточные хиломикроны и
остаточные ЛПОНП (называемые ЛППП - липопротеины промежуточной плотности),
соответственно. Эти частицы поглощаются печенью путем эндоциоза (через
«узнавание» рецепторами).
ТАГ остаточных ЛПОНП могут далее расщепляться ЛП-липазой, превращаясь в
ЛПНП. Эти частицы отличаются от своих предшественников не только большим
количеством холестерина (в виде эфиров), но и составом апопротеинов. Это основной
класс липопротеинов, которые переносят холестерин как в печень, так и во
внепеченочные ткани для его дальнейшего использования. ЛПНП являются
атерогенными, т.е. способствуют развитию атеросклероза.
ЛПВП, образующиеся в виде предшественников в печени и кишечнике,
«дозревают» в крови и, благодаря способности «вытягивать» на себя мембранный
холестерин клеток, обеспечивают его обратный транспорт в печень, поэтому являются
81
антиатерогенными липопротеинами (препятствуют развитию атеросклероза).
IX. Биосинтез липидов - липогенез
Липогенез нацелен на аккумулирование в организме человека резервов
метаболического топлива (в виде триацилглицеридов) и обновление структурных
компонентов биомембран (путем синтеза фосфолипидов, сфинголипидов). Составной
частью этого процесса является биосинтез жирных кислот, который наиболее активно
происходит в жировой ткани, печени, молочной железе во время лактации.
Синтез высших жирных кислот
В организме человека преимущественно синтезируется пальмитиновая кислота
(С16), непосредственным донором двухуглеродных фрагментов является ацетил-КоА,
который образуется при аэробном окислении глюкозы в митохондрии клетки. Реакции
синтеза происходят в цитоплазме клеток, но внутренняя мембрана митохондрий
матрикс
цитозоль
непроницаема для ацетил-КоА,
поэтому перенос ацетила из ацетил-КоА
ацетил-КоА
митохондрии
в
цитоплазму
осуществляется
с
помощью оксалоацетат цитрат
цитрат
оксалоацетат
челночного механизма. Он включает
в себя образование цитрата (из
малат
СО2
ацетилКоА
и
оксалоацетата),
НАДФ+
НАДФН+
который проходит через мембрану и
по сути является переносчиком
пируват
пируват
ацетила в цитоплазму:
Оксалоацетат возвращается в матрикс митохондрий с помощью челночной системы,
включающей его восстановление в малат, который может пройти через мембрану.
Другим путем возврата оксалоацетата является его превращение в пируват, для
которого мембрана также проницаема. Преимуществом этого пути является
образование НАДФН+, необходимого для восстановительного синтеза жирных кислот.
В митохондриях цитрат является основным субстратом цикла Кребса, однако он может
покидать митохондрию и выходить в цитоплазму в условиях усиленного потребления
углеводов с пищей.
В первой стадии происходит карбоксилирование ацетил-КоА с образованием С3
молекулы малонил-КоА, катализируемое ключевым ферментом биосинтеза – ацетилКоА-карбоксилазой, простетической группой которого является биотин:
АТФ
SКоА
ацетил-КоА
+
биотин
цитрат
инсулин
АДФ+Ф
ацетилКоА-карбоксилаза
(КоЕ – биотин)
SКоА
малонил-КоА
пальмитоил-КоА
Биотин (витамин Н) с участием АТФ образует активный комплекс с угольной
82 кислотой – карбоксибиотин, который вводит карбоксильную группу в ацетил-КоА.
В
синтезе
жирных
кислот
участвует
мультиферментный Синтаза жирных кислот (пальмитатсинтаза)
комплекс – синтаза жирных
кислот
(пальмитатсинтаза),
β-кетоацил-АПБмалонил-КоАкоторый состоит из нескольких
синтетаза SН
АПБ-трансфераза
ферментов,
катализирующих
отдельные
реакции
синтеза
SН
жирных
кислот,
и
ацилацилпереносящего белка (АПБ).
КС
переносящий
МТ
Этот комплекс имеет две SHбелок
АТ
АПБ
КР
группы: цистеинового остатка
(Cys-SH),
связывающий
ЕР
ГД
ацетильный остаток и 4'фосфопантетеиновой группы (PanSH), служащий для связывания
β-кетоацилмалонильного остатка. Эта часть ацетил-КоА-АПБАПБ-редуктаза
фермента
функционирует
как трансацетилаза
"длинная рука", которая фиксирует
еноил-АПБ- β-гидроксиацил-АПБсубстрат и передает его от одного
редуктаза
дегидратаза
реакционного центра к другому.
Пространственное объединение нескольких последовательных реакций в таком
мультиферментном комплексе имеет ряд принципиальных преимуществ по
сравнению с отдельными ферментами: предотвращаются конкурентные реакции,
последовательные реакции согласованы, как на конвейере, т.е. все ферментативные
реакции протекают особенно эффективно.
Пальмитатсинтаза обеспечивает
последовательное удлинение углеродной цепи
на два атома углерода (С2, С4, С6 и т.д.) до образования
16-углеродного ацильного остатка, связанного с SНгруппой АПБ. Отщепление пальмитила от АПБ
осуществляется путем гидролиза. При этом образуется
свободная пальмитиновая кислота С15Н31СООН и
освобождается пальмитатсинтаза.
83
Последовательность ферментативных реакций синтеза ВЖК
В результате на синтез одной
молекулы пальмитата расходуется:
1 молекула ацетил-КоА,
7 молекул малонил-КоА
14 молекул НАДФН + Н+;
при этом образуются:
7 молекул СО2,
6 молекул H2O,
8 молекул НSКоА
14 молекул НАДФ+
КС
МТ
АПБ
АТ
КР
ЕР ГД
КоА
ацетил-КоА
перенос
ацетила
НSКоА
КС
перенос
малонила
МТ
АПБ
АТ
ЕР
КР
КС
ГД
МТ
АПБ
АТ
ГД
ЕР
перенос бутирила
с SН-группы АПБ
на SН-группу
фермента КС
повторение циклов
SКоА
малонил-КоА
НSКоА
КС
АТ
АПБ
ЕР
КС
МТ
АПБ
АТ
КР
ЕР
ГД
МТ
синтаза жирных кислот,
КР несущая метильную
и малонильную группы
ГД
бутирил-АПБ
1
НАДФ+
конденсация
4
НАДФН+
КС
МТ
АПБ
АТ
ЕР
КР
АТ
ГД
восстановление
МТ
АПБ
ЕР
НАДФН+
2
восстановление
КС
β-кетобутирил-АПБ
84
5
КР
НАДФ+
КС
МТ
АПБ
АТ
ЕР
КР
ГД
КР
ГД
β-гидроксибутирил-АПБ
3
дегидратация
Синтез фосфатидной кислоты – общего предшественника ТАГ и ФЛ
Жиры являются наиболее
компактной
формой
хранения
энергии,
поэтому часть глюкозы,
поступающей с пищей,
превращается в жиры.
Этот
процесс
активируется инсулином
(в абсорбтивный период)
и
наиболее
активно
происходит в
печени
и
жировой
ткани.
гликолиз
глюкоза
фосфодиоксиацетон
глицерин
АТФ
НАДН+
печень
жирова ткань
мышцы
глицерофосфатдегидрогеназа
глицеролкиназа
печень
АДФ
НАД+
глицерол3-фосфат
Ацилирование
глицерол-3-фосфата
в положении 1 и 2
SКоА
НSКоА
ацетил-КоА
SКоА
Фосфатидная кислота
является
общим
предшественником
в
синтезе как простых
нейтральных жиров –
триацилглицеридов
(ТАГ), так и сложных –
фосфолипидов (ФЛ).
НSКоА
фосфатидная кислота
триацилглицериды
глюкоза
Синтезированные
из
ацетил-КоА
(из
глюкозы)
жирные
кислоты не остаются в
свободном состоянии, а
быстро активируются в
ацил-КоА
и
используются
для
синтеза ТАГ и в
меньшей степени ФЛ.
фосфолипиды
85
Н2О
ЦТФ
фосфатидная кислота
Ф
ФФ
ЦДФ-холин ЦМФ
ЦДФ
ЦДФ-диацилглицерид
диацилглицерид
3
серин
ЦМФ
3
Синтезируемые
нейтральные жиры ТАГ
триацилглицерид
выполняют главным образом энергетическую
функцию, а фосфолипиды – преимущественно
структурную: входят в состав мембран клеток
и оболочек липопротеинов.
В значительной степени печень синтезирует
как ТАГ, так и ФЛ не только для собственных
нужд, но и «на экспорт» - для других тканей,
куда они поступают в составе липопротеинов
по кровеносным сосудам. При нарушении
синтеза фосфолипидов затрудняется удаление
нейтральных
гидрофобных
ТАГ
из
гепатоцитов, что может приводить к жировой
инфильтрации
печени
(накоплению
нейтральных жиров в печеночных клетках).
Синтез ФЛ может быть нарушен, в частности,
из-за недостатка липотропных факторов:
холина, метионина, серина (при белковом
голодании).
86
фосфатидилсерин
фосфатидилэтаноламин
Препарат «Гептрал»,
применяемый
при
заболеваниях печени,
представляет собой Sаденозилметионин.
S-аденозилметионин (-СН3)
В12
S-аденозилгомоцистеин
фосфатидилхолин (лецитин)
X. Патология липидного обмена
Гиперлипопротеинемии первичные – наследственные молекулярные болезни,
связанные с нарушением синтеза неферментативных белков – апопротеинов. При этом
в крови больных повышена концентрация соответствующих липопротеинов. Это
достаточно редкие заболевания, в людской популяции имеют низкую частоту.
Гиперлипопротеинемии вторичные – заболевания, характеризующиеся
повышенным содержанием липидов, однако, их возникновение связано не только с
наследственными причинами, а зависит от множества факторов (условий жизни,
характера питания, возраста, пола и т.д.). К ним относятся ожирение, атеросклероз и
сахарный диабет (см. раздел «Гормональная регуляция обмена веществ»).
Атеросклероз – это системное заболевание, основным проявлением которого
является отложение в интиме сосудов липидных образований – бляшек, основным
компонентом которых является холестерин и его эфиры. Бляшки вызывают сужение
кровеносных сосудов, а, следовательно, нарушение кровоснабжение соответствующих
органов и тканей, что может приводить к развитию ишемической болезни сердца,
инфаркту миокарда, инсульту. Молекулярной основой атеросклероза является
гиперхолестеринемия, но решающее значение имеет соотношение ЛПНП/ЛПВП,
причем, развитие атеросклероза вызывается не просто повышением фракции
атерогенных ЛПНП, а увеличение в этой фракции множественно модифицированных
ЛПНП. Лекарственная терапия атеросклероза включает следующие препараты:
статины (правастатин, ловастатин и др.) – конкурентные ингибиторы ОМГ-КоАредуктазы, снижающие синтез эндогенного холестерина;
секвестранты желчных кислот (колестипол) – усиливают выведение желчных
кислот из организма;
фибраты (фенофибрат), активирующие ЛП-липазу и снижающие образование
ЛПОНП;
антиоксиданты (витамин Е, пробукол), тормозящие перекисную модификацию ЛП
никотиновую кислоту, снижающую образование ЛПОНП и повышающую уровень
антиатерогенных ЛПВП.
Ожирение – увеличение отложения нейтрального жира в
адипоцитах по сравнению с нормой.
Первичное ожирение развивается в результате
превышения калорийности питания по сравнению с
расходом энергии. В развитии ожирения играют роль
генетические факторы, например, известен ген ожирения
Нормальная мышь
obes gene, продуктом экспрессии которого является белок
(справа) и мышь с
лептин (от греч. худой). Мутации в этом гене приводят к
ожирением (слева)
развитию ожирения.
Вторичное ожирение развивается в результате какого-либо основного заболевания,
чаще эндокринного (например, микседема – гипофункция щитовидной железы)
87
Задания для самопроверки и самокоррекции
Задача 1. В эксперименте показано, что амфифильные свойства фосфолипидов
определяют их важную роль в построении биомембран. Какой компонент
обусловливает их гидрофильность?
А. Ненасыщеные жирные кислоты
B. Глицерин
С. Этаноламин
D. Насыщенные жирные кислоты
E. Сфингозин
Задача 2. При скармливании животным избытка холестерина, содержащего
меченый углерод, большая часть его обнаруживалась в ЛПНП не только в
холестерине, но и в холестеридах. Какой компонент холестеридов не
содержит метки?
A. Спирты
B. Жирные кислоты
C. Аминокислоты
D. Амины
E. Углеводы
Задача 3. У пациента, страдающего хроническим панкреатитом, развилась
стеаторея. Какая причина привела к этому?
Гипохлоргидрия
Гиперхлоргидрия
C. Авитаминоз жирорастворимых витаминов
D. Нарушение синтеза протеолитических ферментов
E. Нарушение синтеза липазы
Задача 4. Пациенту был назначен препарат желчи для улучшения переваривания
жирной пищи. Какие компоненты желчи участвуют в этом процессе?
A. Высшие жирные насыщенные кислоты
B. Холестерин и его эфиры
C. Соли желчных кислот
D. Билирубинглюкурониды
E. Муцин
Правильность решения проверьте, сопоставив их с эталонами ответов.
1-A, 3-E, 5-C.
88
РАЗДЕЛ 6. ОБМЕН ПРОСТЫХ
БЕЛКОВ
Белки
– это
биополимеры,
мономерами
которых
являются аминокислоты,
связанные
пептидной связью.
R
R
R
O H
O H
пептидная связь
R
R
O H
O
Н2N-CH-C N-CH-C N-CH-C N-CH-C
H
R
O H
R
O H
R
O H
O
N-CH-C N-CH-C N-CH-C N-CH-C-OH
Выделяют четыре уровня структурной организации белков:
первичная
cтруктура –
определенная
линейная
последовательность
аминокислот
в
полипептидной
цепи.
Стабилизирующие
связи: пептидные
третичная структура –
пространственная укладка
вторичной структуры
Стабилизирующие связи:
водородные, дисульфидные,
ионные, гидрофобные.
вторичная структура пространственная укладка
полипептидной цепи в виде
α-спирали или β-структуры
Стабилизирующие связи:
водородные
четвертичная структура
–
ассоциация нескольких
субъединиц (протомеров)
в олигомерный белок.
Стабилизирующие связи
водородные, ионные,
гидрофобные.
Обмен белков занимает центральное место в метаболических процессах, происходящих
в живом организме, что обусловлено многообразием, важностью и уникальностью
функций , выполняемых белками.
Именно этот обмен обеспечивает самовоспроизведение себе подобных организмов
путем программированного синтеза белка, остальные виды обмена подчинены этой
глобальной задаче.
89
В организме человека в сутки распадается на аминокислоты около 400г белка, и
столько же белка синтезируется. Причем необратимо распадается 1/4 часть
аминокислот, которая должна восполняться за счет пищевых белков. В сутки взрослый
человек должен получать 0,7г белка на 1 кг веса (100-150 г/сутки). Исключение белков
из пищи даже на короткий срок приводит к серьезным нарушениям:
Белковое голодание (квашиоркор)
Снижено
потребление
белков
снижен
синтез
снижен
синтез
клеточных белков
клеточных белков
задержка роста
снижен синтез
гемоглобина
анемия
снижен синтез
альбуминов
отеки
снижен синтез
липопротеинов
атрофия клеток
поджелудочной
железы
жировая
инфильтрация печени
нарушено переваривание
белков
Белковое голодание опасно еще и потому, что в организме человека могут
синтезироваться (из других метаболитов) только заменимые аминокислоты, другие –
незаменимые - должны поступить с пищей, т.к. человеческий организм не обладает
способностью их синтезировать. А поскольку для биосинтеза любого белка необходим
полный набор аминокислот, при отсутствии незаменимых аминокислот трансляция
(биосинтез белка) не будет начинаться (принцип «всё или ничего»).
Белки являются основными азотсодержащими соединениями в организме, поэтому для
характеристики белкового обмена используется понятие «азотистый баланс», который
характеризуется соотношением поступившего с пищей азота к выводимому азоту
(Nпост./Nвыв.)
положительный азотистый баланс (Nпост./Nвыв. >0) – характерен для растущего
организма либо для периода реабилитации
после болезни;
отрицательный азотистый баланс (Nпост./Nвыв. <0) – характерен для
усиленного распада белков (старение,
голодание, тяжелые заболевания);
азотистое равновесие
(Nпост./Nвыв. = 0) – характерно для взрослого
здорового организма при нормальном
90
питании.
I. Переваривание белков
Переваривание белков - это ферментативный гидролиз (протеолиз)
пептидных
связей в молекуле белка, в результате чего образуются свободные аминокислоты.
радикалы
аминокислот
…
N-конец
цепи
пептидная связь
С-конец
цепи
Переваривание белков осуществляется с помощью гидролаз, называемых
протеолитическими ферментами, (протеазами или пептидазами), которые
вырабатываются в неактивном
виде
(проферменты или зимогены)
и
активируются
путем частичного протеолиза, т.е. гидролиза одной пептидной связи
с отщеплением ингибирующего N-концевого пептида. Это сопровождается
изменением конформации фермента и раскрытием его активного центра:
Н2О
неактивный фермент
(профермент или зимоген)
аутокатализ
N-концевой
полипептид
активный фермент
При этом образовавшийся в результате частичного протеолиза активный фермент
может действовать на свой профермент, переводя его в активное состояние, т.е.
осуществлять аутокатализ (активирует сам себя).
Место синтеза проферментов (слизистая желудка, поджелудочная железа) и место
их активации (полость желудка, тонкой кишки) пространственно разделены. Это
необходимо для защиты секреторных клеток желудка и поджелудочной железы
от самопереваривания.
Преждевременная активация проферментов в секреторных клетках происходит при язве
желудка (активируется пепсин), при остром панкреатите (активируется трипсин).
91
В норме активация зимогенов в поджелудочной железе предотвращается
ингибитором трипсина, образующим с ферментом очень прочный комплекс. В
желудке и кишечнике внутренние поверхности покрыты муцинами – гликопротеинами
слизи, которые защищают эпителий ЖКТ от разрушений ферментами.
По месту атаки молекулы субстрата протеолитические ферменты делятся на
экзопептидазы и эндопетидазы.
Протеазы, или пептидазы, которые гидролизуют пептидную связь у концевой
аминокислоты, называются экзопептидазы.
К ним относятся аминопептидаза, отщепляющая крайнюю аминокислоту с N-конца
белковой молекулы и карбоксипептидаза, гидролизующая пептидную связь с С-конца
молекуля белка, а также ди- и трипептидазы, расщепляющие соответственно дитрипептиды.
Пептидные связи, удаленные от концов молекулы белка, гидролизуют
эндопептидазы: пепсин, трипсин, химотрипсины, эластаза. В зависимости от
наличия в их активном центре аминокислот серина, цистеина и др, различают
сериновые протеазы, цистеиновые протеазы и т.д.
аминопептидаза
эндопептидазы
экзопептидазы
Эндопептидазы:
пепсин
трипсин
химотрипсины
эластаза
дипептидазы
карбоксипептидаза
аминокислотный
остаток
Все пептидазы обладают относительной специфичностью, т.е. расщепляют все
белки, однако, каждый из этих ферментов преимущественно гидролизует пептидные
связи между определенными аминокислотами:
пепсин гидролизует пептидные связи у ароматических аминокислот (фенилаланин и
тирозин) и между лейцином и глутаматом;
трипсин расщепляет преимущественно связи у аргинина и лизина;
химотрипсин -у ароматических аминокислот фенилаланина, тирозина и
триптофана;
эластаза – между глицином и аланином.
Протеолитические ферменты применяются в качестве лекарственных средств
(ацидинпепсин, фестал, панкреатин) при нарушении секреции желудочного сока, при
воспалении поджелудочной железы и т.д. Кроме того, в клинике протеазы
применяются для обработки гнойных ран (расщепляют белки гнойного содержимого).
92
ПЕРЕВАРИВАНИЕ БЕЛКОВ В ЖЕЛУДКЕ
Для пепсина рНопт 1,5-2.
R
R
O H
тирозин
O H
O H
фенилаланин
R
O
Н2N-CH-C N-CH-C N-CH-C N-CH-C
H
R
O H
R
O H
R
O H
O
N-CH-C N-CH-C N-CH-C N-CH-C-OH
пепсин
НCl
пепсиноген
аутокатализ
В желудке действует фермент пепсин, который вырабатывается главными клетками
слизистой оболочки желудка в виде неактивного профермента пепсиногена. Этот
зимоген активируется частичным протеолизом с помощью соляной кислоты
(медленно), а затем с помощью аутокатализа (быстро). Пепсин, обладая
относительной специфичностью, преимущественно гидролизует пептидные связи у
ароматических аминокислот (фенилаланина и тирозина).
В желудке также действует пепсиноподобный фермент гастриксин, у которого
рНопт = 3, т.е. этот фермент переваривает белки при пониженной кислотности
желудочного сока.
У грудных детей
Функции соляной кислоты:
в желудке фермент реннин
катализирует створаживание молока,
денатурирует белки
переводя растворимый белок
создает сильнокислую среду рН 1,5 – 2
казеиноген в нерастворимый казеин,
активирует пепсин
который далее расщепляется
разрушает микроорганизмы
пепсином
Нарушение переваривания белков в желудке
Гиперхлоргидрия –повышенная продукция НСI.
гипоацидные состояния
Гипохлоргидрия - пониженная продукция НСI.
рН 3 - 5
Ахилия - отсутствие в желудочном соке НСI и пепсина
(при полной ахилии или тотальной резекции желудка может развиваться пернициозная
анемия, т.к. отсутствует внутренний фактор Касла – гастромукопротеин, необходимый
для всасывания витамина В12)
Молочная кислота (лактат) в желудочном соке в норме отсутствует. Может
обнаруживаться при злокачественных опухолях желудка
93
(активируется анаэробный гликолиз).
ПЕРЕВАРИВАНИЕ БЕЛКОВ В КИШЕЧНИКЕ
аминопептидаза
R
аргинин
лизин
R
O H
O H
фенилаланин
тирозин
триптофан
O H
O
Н2N-CH-C N-CH-C N-CH-C N-CH-C
трипсин
энтеропептидаза
трипсиноген
химотрипсин
R
H
глицин
аланин
O H
R
O H
R
O H
O
N-CH-C N-CH-C N-CH-C N-CH-C-OH
эластаза
карбоксипептидаза
химотрипсиноген
проэластаза
прокарбоксипептидаза
В кишечнике (рН 7-8) действуют ферменты поджелудочной железы: трипсин,
химотрипсины, эластаза, карбоксипептидаза, вырабатываемые в неактивном виде.
Эти проферменты активируются в кишечнике: трипсиноген активируется кишечным
ферментом
энтеропептидазой,
химотрипсиноген,
проэластаза
и
прокарбоксипептидаза
активируются
самим
активным
трипсином.
Аминопептидаза и дипептидазы – ферменты кишечного сока, вырабатываются в
активном состоянии.
В результате суммарного действия всех желудочных, панкреатических и кишечных
пептидаз происходит полный гидролиз пищевых белков и образуются свободные
аминокислоты, которые всасываются в стенку кишечника путем активного
транспорта, поступают в кровь и разносятся к органам и тканям. Свободные
аминокислоты, в отличие от белков, лишены видовой специфичности и не обладают
антигенными свойствами.
Пути превращения аминокислот
Часть аминокислот в результате потери аминогруппы (процессы дезаминирования и
трансаминирования) превращается в α-кетокислоты (безазотистые остатки), которые
могут быть:
использованы на синтез глюкозы – глюконеогенез (такие аминокислоты называются
гликогенные),
использованы на синтез липидов, кетоновых тел – кетогенез (такие аминокислоты
называются кетогенные),
окислены до конечных продуктов с образованием СО2, воды и энергии.
Отщепившаяся аминогруппа в виде аммиака NH3 (токсичное вещество),
превращается в мочевину (конечный продукт азотистого обмена) и выводится через
почки с мочой.
Часть аминокислот распадается путем отщепления карбоксильной группы
(декарбоксилирование) в виде СО2 с образованием продуктов, которые называются
биогенные амины.
94
II. Пути превращения аминокислот
В отличие от жиров и углеводов, в организме не существует депо белков.
Своеобразным депо является пул аминокислот, т.е. количество свободных
аминокислот, которые образуются:
за счет всасывания в кишечнике,
при распаде (протеолизе) собственных белков организма,
путем синтеза de novo (заменимые аминокислоты).
Функциональные
белки
10000г
созревание
Свободные
аминокислоты
используются прежде всего на
синтез
собственных
функциональных
белков
организма:
структурных белков, ферментов,
рецепторов, гормонов, белков
плазмы крови и т.д.
трансляция
пища
50-100
г/сутки
секреция
белка
50г/сутки
аминокислоты
кишечник
выведение с
фекалиями
10г/сутки
95
липиды
кетоновые
тела
всасывание
до 150г/сутки
переваривани
е
глюкоза
пул
аминокислот
100 г
cинтез
de novo
деградация
50-100г/сутки
СО2
пируват
фосфоенолпируват
3-фосфоглицерат
ά-кетокислоты
глюкоза
ά-кето-кислоты
NН3
СО2 ,
АТ
Ф
мочевина
биогенные
амины
соли
аммония
почки
выведение с
мочой
Н2О
ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ АМИНОКИСЛОТ
НАД+
глутамат
НАДН Н+
прямое
окислительное
дезаминирование
NН3
α-кетоглутарат
Дезаминирование - это процесс
отщепления
α-аминогруппы
от
аминокислоты в виде аммиака NН3
Дезаминированию подвергаются все
аминокислоты, кроме лизина.
Существует несколько видов
дезаминирования:
прямое окислительное– для
глутаминовой кислоты,
прямое неокислительное:
гидролитическое – для цистеина,
внутримолекулярная перестройка
– для гистидина,
восстановительное для серина и
треонина,
непрямое – для большинства
аминокислот.
Основным видом прямого дезаминирования является окислительное
дезаминирование, которому подвергается только глутаминовая кислота.
Прямое окислительное дезаминирование глутаминовой кислоты осуществляется с
помощью фермента глутаматдегидрогеназы (кофермент НАД+ или НАДФ+), который
активен в митохондриях многих тканей (максимально в печени) и с высокой скоростью
превращает глутамат в α-кетоглутарат. При прямом дезаминировании образуется
свободный аммиак (токсичное соединение), который в дальнейшем обезвреживается.
Большинство аминокислот подвергается непрямому дезаминированию, первым этапом
которого является трансаминирование.
ТРАНСАМИНИРОВАНИЕ АМИНОКИСЛОТ
Трансаминирование – это перенос аминогруппы с аминокислоты (донора) на αкетокислоту (акцептор) с образованием новой α-кетокислоты и новой аминокислоты
без промежуточного выделения аммиака.
1-я аминокислота
1-я ά-кетокислота
2-я аминокислота
2-я ά-кетокислота
96
Катилизируют эту реакцию аминотрансферазы (трансаминазы). Коферментом в этих
реакциях является пиридоксальфосфат (ПАЛФ) – активная форма витамина В6,
который как посредник, принимает аминогруппу от аминокислоты и превращается в
пиридоксаминфосфат (ПАМФ). Ферменты этой реакции органоспецифичны: АлАТ –
аланинаминотрансфераза
больше
локализована
в
печени,
АсАТ
–
аспартатаминотрансфераза – в сердце; при повреждении клеток этих органов
ферменты переходят в кровь. Определение
их активности в сыворотке крови
(энзимодиагностика) является важным методом для обнаружения и клинического
контроля таких нарушений: при заболевании соответствующих органов (гепатит,
инфаркт миокарда) активность этих индикаторных ферментов возрастает в 20-30 раз.
Основными донорами
аминогрупп в реакциях
трансаминирования
являются
глутамат,
аспартат и аланин.
Основным акцептором
аминогрупп
от
различных аминокислот
является
α-кетоглутарат.
Значение реакции трансаминирования
коллекторная функция – собирание аминогрупп от
разных аминокислот в виде глутаминовой кислоты
с помощью этой реакции синтезируются заменимые
аминокислоты;
происходит перераспределение аминного азота в тканях;
эта реакция является начальным этапом катаболизма
аминокислот, первой стадией непрямого дезаминирования;
благодаря реакции трансаминирования углеродный
скелет аминокислот может включаться в другие обмены.
НЕПРЯМОЕ ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ
2
NН3
глутаматдегидрогеназа
α-кетоглутарат
1
глутамат
α-кетоглутарат
Аминокислоты,
которые
не могут дезаминироваться
прямо,
подвергаются
непрямому дезаминированию
или трансдезаминированию,
которое включает 2 этапа:
аминокислота α-кетокислота
1 –трансаминирование аминокислоты с ά-кетоглутаровой кислотой (при этом
образуется глутаминовая кислота,
2 – прямое окислительное дезаминирование глутаминовой кислоты с образованием
свободного аммиака.
Глутаматдегидрогеназа, катализирующая 2-й этап трансаминирования, - регуляторный
аллостерический фермент (его ингибитор НАДН), от активности которого зависит
скорость непрямого дезаминирования ряда аминокислот, а значит, и
97
образования NН3.
III. Обмен аммиака
аминокислоты
биогенные амины
гниение белков
нуклеотиды
NН3
Источники аммиака:
прямое и непрямое
дезаминирование аминокислот;
обезвреживание биогенных
аминов;
дезаминирование пуриновых и
пиримидиновых нуклеотидов;
гниение белков в кишечнике.
Аммиак – токсичное соединение. В высоких концентрациях он поражает
главным образом нервные клетки. Причины токсичности аммиака:
Аммиак связывает α-кетоглутарат (восстановительное аминирование)
НАДФНН+ НАДФ+
NН3 + α-кетоглутарат
глутамат
При этом α-кетоглутарат выводится из пула аминокислот, значит, угнетаются те
реакции, для которых он необходим:
ЦТК (возникает гипоэнергетическое состояние);
обмен аминокислот (нарушается трансаминирование).
Аммиак усиливает синтез глутамина в нервной ткани, что ведет к повышению
осмотического давления и в высоких концентрациях может вызвать отек мозга.
АДФ + Ф
АТФ
NН3 + глутамат
глутамин
Аммиак в крови находится в виде иона NН4+
NН3
+
NН4+,
Н+
накопление катиона аммония нарушает перенос ионов (Na+, К+ ) через мембрану, что
ухудшает проведение нервных импульсов.
Обезвреживание аммиака
NН3
Синтез
глутамина
мозг и
другие ткани
Образование
аланина
мышцы,
кишечник
Синтез
мочевины
25г/сутки
печень
Образование
аммонийных
солей
0,5г/сутки
почки
Образование
глутамата
мозг
98
IV. Пути обезвреживания аммиака
1. Образование транспортных форм аммиака
Конечными продуктами обмена аммиака являются мочевина и аммонийные соли,
которые образуются соответственно в печени и почках и выводятся из организма
через почки в составе мочи. Однако аммиак образуется во всех органах и тканях,
особенно интенсивно при напряженной мышечной работе, нервном возбуждении и т.д.
Поэтому доставка аммиака к местам окончательного обезвреживания (печень и почки)
осуществляется с помощью транспортных форм.
Главной транспортной формой аммиака является глутамин, который
легко проникает через клеточные мембраны, так как представляет
собой нейтральную аминокислоту:
АДФ + Ф
АТФ
NН3 + глутамат
глутамин
глутаминсинтетаза
Благодаря этой реакции в норме поддерживается низкая
концентрация аммиака в крови
(25-40 мкмоль/л)
Глутамин попадает в кровь из различных тканей, в основном, из мышц и мозга и
транспортируется главным образом в почки, печень и кишечник, где активен фермент
глутаминаза, отщепляющая от глутамина свободный аммиак:
Н2О
глутамин глутаминаза
глутамат + NН3
Из кишечника и мышц аммиак выводится в виде
аланина (глюкозо-аланиновый цикл)
Работающая мышца получает часть энергии за счет
распада аминокислот. Аминогруппы
от
различных аминокислот в процессе реакции
трансаминирования оказываются в глутамате.
Далее глутамат трансаминируется с пируватом,
который образуется в работающей мышце из
глюкозы в результате гликолиза. В результате этой
реакции образуется аланин, который «несет в себе»
аминогруппы
из мышечных белков и углеродный
скелет из глюкозы:
+
+
аланин
пируват
глутамат
α-кетоглутарат
Образовавшийся аланин через кровь поступает в
печень, где подвергается непрямому дезаминировапочки
нию. Полученный аммиак обезвреживается с мочевина
образованием мочевины, а пируват превращается в
глюкозу, которая снова питает мышцы.
99
Выведение с мочой
2. Биосинтез мочевины – орнитиновый цикл
Орнитиновый цикл Кребса-Хензелайта (цикл образования мочевины) – это
основной процесс обезвреживания аммиака в организме человека.
Происходит только в печени (в
+
NН4
глутамин
митохондриях и цитоплазме) путем
образования
нейтральной
Н CО3нетоксичной молекулы мочевины,
карбамоил2АТФ
которая легко проходит через
фосфатмембраны, переносится кровью в
cинтетаза I
2АДФ+Ф
почки и выводится с мочой.
карбамоилфосфат
Биосинтез
мочевины
осуществляется
из
аммиака
(доставляется в печень глутамином)
Н2N
C
и угольной кислоты (НСО3-).
матрикс
митохондрии
орнитинНN
карбамоил- 2
орнитин
трансфераза
C
цитруллин
цитруллин
цитоплазма
АТФ
аргининосукцинатcинтетаза
НN
C
фосфат
орнитин
NН2
C =О
рибоза
NН2
мочевина
ФФ
АМФ
аденин
аргиназа
промежуточный продукт
NН2
Н2 N
аргининосукцинатcинтетаза
+
C
аргинин
аргининосукцинатлиаза
АМФ
аспартат
NН2+
NН
фумарат
N Н3
C
аргининосукцинат
100
из внепеченочных тканей
глутамат
глутамин
глутаминаза
оксалоацетатат
глутамат
глутаматдегидрогеназа
2АТФ
2АДФ
Фн
АсАТ
аспартат
ά-КГ
карбамоилфосфатcинтетаза I
1
∼
матрикс
митохондрии
карбамоилфосфат
2 Фн
орнитин- цитруллин
орнитин карбамоилтрансфераза
цитозоль
аспартат
орнитин
5
мочевина
цитруллин
аргиназа
3
HOH
аргининосукцинатcинтетаза
АТФ
АМФ + ФФн
аргинин
4
аргининосукцинатлиаза
фумарат
аргининосукцинат
Молекула мочевины содержит два атома азота:
N
NН2
первый атом азота поступает в орнитиновый цикл в виде аммиака;
C =О
N второй атом азота вводится в мочевину из аспартата
NН2
фумарат
аргинин
мочевина
малат
Цикл
регенерации
аспартата
из фумарата
аргининосукцинат
Цикл
мочевины
орнитин
аспартат цитруллин
цитоплазма
матрикс
митохондрии
оксалоацетат
аспартат
орнитин
цитруллин
α-кетоглутарат
глутамат
карбамоилфосфат
NН3
НАДН
НАД+
малат
аланин (NН2)
ЦТК
пируват
фумарат
Аспартат, необходимый для синтеза мочевины, образуется в печени с использованием
углеродного скелета оксалоацетата и аминогруппы аланина
.
NН2
В то же время, фумарат, образующийся в орнитиновом цикле, превращается в
оксалоацетат в процессе двух реакций ЦТК, т.е. происходит регенерация аспартата из
фумарата.
Биосинтез мочевины требует больших затрат энергии, она поставляется за счет разрыва
четырех макроэргических связей: двух при синтезе карбамоилфосфата (1-я реакция) и
двух при синтезе аргениносукцината (АТФ
АМФ + Ф + Ф).
При заболеваниях печени (гепатиты, цирроз), а также при наследственных дефектах
ферментов орнитинового цикла могут возникать гипераммониемии – повышение
концентрации аммиака в крови, которое сопровождается головокружением, тошнотой,
рвотой, потерей сознания.
3. Синтез аммонийных солей в почках
Глутамин, доставляющий в почки аммиак, расщепляется глутаминазой, которая
активируется при ацидозе, а полученный аммиак служит для нейтрализации кислых
продуктов с образованием солей аммония (0,5 г в сутки):
Эта реакция защищает организм
Н+А + NН3
+А
NН
4
от потери с мочой ионов К+ и Nа+.
102 (кислота)
Гликогенные аминокислотыэто аминокислоты, которые
могут превращаться в пируват
и промежуточные продукты
ЦТК и использоваться в
процессе
глюконеогенеза.
Кето-гликогенные
аминокислоты –
используются как для
синтеза глюкозы, так и
кетоновых тел.
Кетогенные аминокислоты
– в процессе катаболизма
превращаются в ацетоацетат
или ацетил-КоА и могут быть
источником кетоновых тел.
аланин глицин
цистеин серин
треонин
ГЛЮКОЗА
кетоновые
тела
ПИРУВАТ
оксалоацетат
аспарагин
аспартат
аспартат
фенилаланин
тирозин
фумарат
ацетил-КоА
ЦТК
сукцинат
α-кетоглутарат
ацетоацетат
триптофан
лейцин
изолейцин
лейцин
лизин
фенилаланин
тирозин
валин
глутамат, глутамин
метионин
гистидин, пролин
треонин
аргинин
изолейцин
Углеродные скелеты, образовавшиеся из
аминокислот при отщеплении аммиака,
аминокислоты
могут вовлекаться через α-кетокислоты
углеродные
в ЦТК и сгорать до углекислого газа и биосинтезы NН3
скелеты
воды. Однако, реального значения этот аминокислот,
путь не имеет, т.к. не выгодно «сжигать» нуклеотидов, др.
α-кетокислоты
столь ценные молекулы. Основным карбамоилфосфат
Цикл
путем является их превращение в
регенерации
Цикл
глюкозу, т.е. глюконеогенез.
ЦТК
аспартата
мочевины
Образующийся аммиак используется
из фумарата
для биосинтеза различных азотистых
оксалоацетат
соединений либо выводится в виде мочевина
мочевины.
глюкоза
СО2
Н2О
АТФ
103
V. Декарбоксилирование аминокислот
СОО Н
Н2N СН R
аминокислота
ПАЛФ
декарбоксилаза
СО2
+
Н2N
СН2 R
биогенные амины физиологически
активные вещества
СО2
триптамин
триптофан
окситриптофан
СО2
серотонин
СО2
гистидин
гистамин
СО2
γ-аминомасляная кислота
ГАМК
глутамат
СО2
тирозин
ДОФА
дофамин
104
норадреналин
адреналин
Некоторые аминокислоты подвергаются декарбоксилированию – отщеплению αкарбоксильной группы с образованием СО2 и биогенных аминов – физиологически
активных веществ (гормонов, нейромедиаторов и др.). Некоторые биогенные амины
входят в состав других биомолекул, например, этаноламин входит в состав
фосфолипидов, β-аланин является структурным элементом коэнзима А.
Катализируют эту реакцию α-декарбоксилазы L-аминокислот, которые обладают
стереоспецифичностью (т.е. не действуют на D-изомеры аминокислот), коферментом
является пиридоксальфосфат.
Известно более 40 биогенных аминов, наиболее важными являются следующие:
Серотонин нейромедиатор проводящих путей, образуется в гипоталамусе.
образуется в тучных клетках соединительной ткани, секретируется в
кровь при повреждении ткани (травма, ожоги). Функции гистамина:
вызывает расширение сосудов, отеки, покраснение кожи;
участвует в развитии аллергической реакции;
стимулирует секрецию желудочного сока, слюны;
снижает артериальное давление, но повышает внутричерепное;
сокращает гладкую мускулатуру легких;
является нейромедиатором.
важный тормозной нейромедиатор высших отделов мозга. В виде
γ-Аминомасляная
лекарственных препаратов гаммалон и аминолон ГАМК
кислота ГАМК
применяется при нарушениях мозгового кровообращения,
эндогенных депрессиях, приступах эпилепсии.
медиатор среднего отдела мозга. Недостаточность этого биогенного
Дофамин
амина в черной субстанции мозга (при снижении активности ДОФАдекарбоксилазы) приводит к болезни Паркинсона.
Норадреналин тормозной медиатор симпатической нервной системы в разных
отделах головного мозга, однако, может быть возбуждающим
медиатором в гипоталамусе. Снижение в нервных клетках
норадреналина и дофамина может приводить к депрессии.
гормон интенсивной физической работы, стресса, регулирует
Адреналин
основной обмен, усиливает сокращение сердечной мышцы,
повышает артериальное давление.
Гистамин
Обезвреживание биогенных аминов
1. Окисление (с дезаминированием) под действием моноаминооксидаз (МАО):
NН3
Ингибиторы
МАО
–
R СН2 NН2
R СН O
депренил,
ниаламид,
моноаминооксидаза
пиразидол - применяются
(ФАД)
при лечении паркинсонизма
2. Метилирование с участием SAM - для гистамина, адреналина, норадреналина:
адреналин
метиладреналин
105
VI. Особенности обмена ароматических аминокислот в разных тканях
фенилаланин
фенилкетонурия
О2
+
фенилаланин- НАДФН
гидроксилаза
НАДФ+
Надпочечники
адреналин
норадреналин
Н2О
тирозин
тирозинемия II
тирозинемия III
тирозинтрансаминаза
п-оксифенилпируватоксидаза
ДОФА
дофамин
альбинизм
п-оксифенилпируват
О2
СО2
Кожа
меланины
Щитовидная железа
иодтиронины (тироксин)
Фенилаланин – незаменимая
аминокислота, тирозин –
условно
заменимая,
гомогентизиновая кислота
синтезируется
только
из
фенилаланина.
Катаболизм
гомогентизаталкаптонурия
О
этих аминокислот происходит
2
диоксигеназа
в печени, при этом образуются
фумарат,
который
может
фумарилацетоацетат
использоваться
в
фумарилтирозинемия I
глюконеогенезе и ацетоацетат,
ацетоацетаза
т.е. кетоновое тело. Эти
фумарат
ацетоацетат ароматические аминокислоты
являются кето-гликогенными
Нарушения обмена ароматических аминокислот – энзимопатии – связаны с
генетическими дефектами синтеза ферментов их метаболизма.
Фенилкетонурия – фенилаланин накапливается в крови, с мочей выводятся большие
количества фенилкетонов (образуются при избытке фенилаланина), проявляется резкой
задержкой умственного и физического развития (фенилпировиноградная олигофрения).
Алкаптонурия – накопление гомогентизиновой кислоты, которая окрашивает мочу в
черный цвет, может происходить отложение пигментов в тканях (склеры, нос, уши).
Альбинизм – нарушение синтеза пигментов меланинов в коже, волосах и сетчатке.
Тирозинемия – ряд энзимопатий, связанных с накоплением тирозина, который в
106
избыточных количествах оказывает негативное влияние на развитие ребенка.
глюкоза
VII. Обмен глицина и серина
ТГФК
3-фосфоглицерат
N5,N10(СН2)ТГФК
сериноксиметилтрансфераза
СН2ОН
серин
глицин
синтез гема
синтез креатина
синтез
пуриновых
синтез парных желчных кислот нуклеотидов
Глицин и серин – заменимые аминокислоты (могут синтезироваться из глюкозы).
Играют важнейшую роль в синтезах многих жизненно важных биологических веществ.
Являются источником одноуглеродных фрагментов, которые переносятся с помощью
тетрагидрофолиевой кислоты - N5,N10(СН2)ТГФК (см. раздел «Витамины») и
используются в уникальных реакциях синтеза метионина, пуриновых нуклеотидов,
тимидилата и др.
ТГФК
синтез глутатиона
пируват
НАД+ НАДН+
НСООН
глициноксидаза
глиоксилат
глицин
N5,N10(СН2)ТГФК
оксалат
Обмен метионина
Ф+ФФ
Н3С
метионин
метионинаденозилтрансфераза
АТФ
ТГФК
Витамин В12
1
4
СН3
S-аденозилметионин
(SAM)
R
2
метилтрансферазы
R-СН3
3
N5(СН3)ТГФК
гомоцистеин
аденозин
Н2О
аденозин
S-аденозилгомоцистеин
Метионин – незаменимая аминокислота, которая в виде метионил-т-РНК участвует в
инициации процесса трансляции – биосинтеза белка. Особая роль метионина
заключается в том, что эта аминокислота в виде активной формы S-аденозилметионина
(SAM) является донором метильных групп для синтеза биологически важных
веществ (R-СН3) в реакциях трансметилирования (реация 2). К таким синтезам
относятся синтезы фосфотидилхолина, креатина, адреналина, карнитина и др. 107
Задания для самопроверки и самокоррекции
Задание 1. У пациента, проходящего курс лечебного голодания, нормальный
уровень глюкозы в крови поддерживается за счет глюконеогенеза. Из какого
из нижеперечисленных веществ может синтезироваться глюкоза?
А. Из мочевой кислоты
B. Из мочевины
C. Из серина
D. Из лейцина
E. Из никотинамида
Задание 2. У ребенка после перенесенной вирусной инфекции наблюдаются
признаки гипераммониемии: головокружение, рвота, судороги. Нарушение
какой реакции имеет место в данном случае?
А. Тирозин → Диоксифенилаланин
B. Орнитин + Карбамоилфосфат → Цитруллин
C. Фенилаланин → Тирозин
D. Аргинин + Глицин → Гуанидинацетат
E. Гомогентизиновая кислота → Фумарилацетоацетат
Задание 3. Группа подопытных животных находилась на длительной безбелковой
диете, вследствие чего у них нарушились многие метаболические процессы,
связанные с использованием незаменимых аминокислот. Какая из них
используется в качестве метилирующего агента в биосинтезе креатина?
А. Валин
B. Треонин
C. Фенилаланин
D. Метионин
E. Глицин
Задание 4. В работах Г.Кребса было установлено, что цикл трикарбоновых кислот
и орнитиновый цикл тесно связаны. Какое вещество участвует в обоих
циклах?
А. Оксалоацетат
B. Цитруллин
C. Фумарат
D. Цитрат
E. Аргинин
Правильность решения проверьте, сопоставив их с эталонами ответов.
1-C, 3-D, 5-A.
108
РАЗДЕЛ 7. ОБМЕН НУКЛЕОТИДОВ
Нуклеотиды – это трехкомпонентные соединения, состоящие из азотистого основания
пуринового или пиримидинового ряда, остатков пентозы (рибозы или дезоксирибозы)
и остатка фосфорной кислоты:
азотистое основание
пентоза
фосфат
нуклеозид
Структура пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов
азотистые основания:
пурин:
пентозы:
аденин
фосфат
ОН
гуанин
рибоза
Р
Н
пиримидин:
цитозин
тимин
урацил
дезоксирибоза
Дезоксирибонуклеотиды:
дАМФ
дГМФ
дТМФ
дЦМФ
дезоксиаденозинмонофосфат дезоксигуанозинмонофосфат дезокситимидинмонофосфат дезоксицитидинмонофосфат
дезоксиадениловая кислота дезоксигуаниловая кислота дезокситимидиловая кислота дезоксицитидиловая кислота
Рибонуклеотиды:
АМФ
ГМФ
УМФ
аденозинмонофосфат
адениловая кислота
гуанозинмонофосфат
гуаниловая кислота
уридинмонофосфат
уридиловая кислота
ЦМФ
цитидинмонофосфат
цитидиловая кислота 109
I. Переваривание нуклеопротеинов
Это гидролитический распад под действием ферментов желудочного и кишечного
соков. В желудке нуклеопротеины (хроматин и рибосомы) распадаются на
нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и протеины с помощью ферментов и соляной
кислоты:
НСl
ДНК
Протеины
гистоны
Дезоксирибонуклеопротеин (хроматин)
пепсин
Пептоны
НСl
ДНК, РНК
Рибонуклеопротеин
(рибосомы)
В кишечнике пептиды распадаются далее до свободных аминокислот.
Гидролитический распад ДНК и РНК осуществляется в тонком кишечнике с
помощью эндонуклеаз - ДНК-азы и РНК-азы поджелудочного сока до
олигонуклеотидов, а затем фосфодиэстеразами - до мононуклеотидов:
ДНК-аза
РНК-аза
У
А
нуклеотидаза
(фосфатаза)
Т
Г
азотистое
основание:
Р
Г
С
мононуклеотид
ДНК
110
Образовавшиеся мононуклеотиды далее могут
расщепляться неспецифической фосфатазой,
(нуклеотидазой) с образованием свободной
фосфорной
кислоты
и
нуклеозидов.
Всасываются главным образом нуклеозиды.
РНК
II. Биосинтез пуриновых нуклеотидов
Путь биосинтеза нуклеиновых оснований
весьма сложен, но этот процесс жизненно
необходим почти для всех клеток.
СО2
глицин
аспартат
6 5
1
2 3 4
7
9
8
ТГФК
ТГФК
глутамин
Происхождение атомов азота и
углерода в пуриновом кольце
Единственным
крупным
предшественником является глицин, из
которого происходят С-4, С-5 и N-7,
другие атомы кольца поставляются
отдельно: N-1 – от аминокислоты
аспартат, N-3 и N-9 от амидного
азота глутамина, а атомы углерода
С6– от СО2,
С-2 и С-8 – от
активных форм фолиевой кислоты –
N10-формил-ТГФК и N5-метенил-ТГФК
Синтез пуриновых нуклеотидов начинается с рибозо-5-фосфата, который образуется
из глюкозы в результате пентозофосфатного пути. Именно на этом метаболите, как на
фундаменте, затем шаг за шагом формируется пуриновое кольцо.
Р
Р
АТФ
глюкоза
Н
Р
(ФРПФ-синтетаза)
фосфорибозилпирофосфат (ФРПФ)
рибозо-5-фосфат
Рибозо-5-фосфат активируется в 1положении с образованием ФРПФ,
который
далее
превращается
в
фосфорибозиламин, в котором атом
азота в NH2-группе будет N-9 атомом
синтезируемого пуринового кольца (в
ходе 9 последующих
реакций).
5АТФ
инозинмонофосфат (ИМФ)
Р
9 реакций
Р
Р
глн
ФРПФ-амидотрансфераза
глу
Р
фосфорибозиламин
111
В результате последовательной сборки пуринового кольца на фундаменте
фосфорибозы образуется первый пуриновый нуклеотид – ИМФ – инозинмонофосфат,
который не входит в состав нуклеиновых кислот, а является предшественником АМФ и
ГМФ. ИМФ не накапливается в клетке, а быстро превращается в нуклеотиды:
АМФ – аденозинмонофосфат с участием аспартата и энергии ГТФ
ГМФ – гуанозинмонофосфат с участием глутамина и энергии АТФ.
аспартат
НАД+
ГТФ
Н2О
рибоза
НАДН+
Р
ИМФ
Р
рибоза
ксантозилмонофосфат
глн
АТФ
глу
рибоза
Основное место
биосинтеза пуриновых
нуклеотидов – печень.
Она
снабжает
пуринами
ткани, не способные к
их
синтезу:
эритроциты,
полиморфно-ядерные
лейкоциты и, частично,
мозг.
Р
рибоза
Р
аденилосукцинат
фумарат
рибоза
Р
АМФ
ГМФ
Далее происходит фосфорилирование нуклеотидов с образованием субстратов, из
которых может синтезироваться РНК:
АМФ
112
ГМФ
киназа АДФ
киназа
ГДФ
киназа
киназа
АТФ
на синтез РНК
ГТФ
Рибозо-5-фосфат
Регуляция
синтеза пуриновых нуклеотидов
Осуществляется по
принципу
обратной связи («ретро-контроль»).
Причем, АМФ и ГМФ тормозят
Фосфорибозиламин
как свой собственный синтез из
ИМФ, так и ингибируют общий
этап
превращения
ФРПФ
в
ИМФ
фосфорибозиламин.
АДФ и ГДФ отрицательно влияют
АМФ
ГМФ
на
образование
общего
предшественника – ФРПФ.
АДФ
ГДФ
В то же время, АТФ положительно
влияет на синтез ГМФ, а ГТФ – на
АТФ
ГТФ
синтез АМФ.
Эта регуляция осуществляется через ключевые ферменты синтеза пуринов по
основному пути: ФРПФ-синтетазу (пирофосфокиназа) и ФРПФ-амидотрансферазу
при одновременном повышении концентрации АМФ и ГМФ. Для сбалансированного
содержания адениловых и гуаниловых нуклеотидов используются регуляторные
ферменты: аденилосукцинатсинтетаза и ИМФ-дегидрогеназа.
ФРПФ
Реутилизация пуриновых оснований - запасной путь синтеза - «путь спасения»
Р Р
Нуклеотиды относятся к наиболее сложным
ФРПФ
метаболитам, в связи с чем их биосинтез
требует много времени и высоких затрат
аденин
АМФ
энергии. Поэтому в процессе обмена
аденинфосфорибозилтрансфераза
веществ нуклеотиды не на все 100%
разрушаются до конечных продуктов и
выводятся из организма. В большей мере
Р Р
это относится к пуриновым основаниям.
ФРПФ
Около 90% аденина и гуанина в
лейкоцитах
и
клетках
ГМФ эритроцитах,
гуанин
головного мозга снова превращаются в
гуанин(гипоксантин)
фосфорибозилтрансфераза
нуклеозидмонофосфаты (т.е. нуклеотиды), в
одну стадию присоединяя рибозу и фосфат
от фосфорибозилпирофосфата (ФРПФ)
Р Р
Таким образом, пуриновые основания
ФРПФ
могут быть повторно использованы в
нуклеиновых
кислот
гипоксантин
ИМФ синтезе
(реутилизированы), что дает от 10 до 20%
гуанин(гипоксантин)
общего количества нуклеотидов.
фосфорибозилтрансфераза
113
III. Распад пуриновых нуклеотидов
ДНК и РНК, после выполнения своих функций (биосинтеза белка), распадаются в
тканях до мононуклеотидов с помощью тканевых ферментов ДНК-азы и РНК-азы.
Образовавшиеся мононуклеотиды теряют фосфатный остаток гидролитически под
действием нуклеотидаз с образованием нуклеозидов.
Далее эти нуклеозиды (аденозин и гуанин), а также всасавшиеся в кишечнике
пищевые пуриновые нуклеозиды распадаются в тканях до мочевой кислоты, которая
попадает в кровь и выводится через почки с мочой.
рибоза
NН2
Н2О
ОН
NН3
ОН
аденозиндезаминаза
рибоза
аденозин
гипоксантин
инозин
аллопуринол
рибоза
ОН
Н2 N
гуанозин
рибоза
гуанин
О
ОН
ОН
Н2 N
ксантиноксидаза
Н2О
Н
NН3
гуаназа
(гуаниндезаминаза)
НО
ксантин
В норме содержание мочевой кислоты в сыворотке крови
составляет 0,15–0,42 ммоль/л, в суточной моче - 400-600мг.
ксантинО
При повышении концентрации мочевой кислоты в крови
оксидаза
(гиперурикемия) она выпадает в осадок с образованием
кристаллов солей мочевой кислоты (уратов) в суставных
ОН
хрящах и синовиальной оболочке; при этом образуются также
камни в почках. Это вызывает воспалительный процесс, часто
сопровождающийся болевым синдромом. Наиболее частым
ОН
клиническим проявлением гиперурикемии является подагра.
Основной лекарственный препарат, который используется для НО
лечения подагры- аллопуринол – структурный аналог пурина.
мочевая кислота
114 Он является конкурентным ингибитором ксантиноксидазы.
Схема синтеза и распада
пуриновых нуклеотидов
Рибозо-5-фосфат
ФРПФ
5-фосфорибозиламин
ИМФ
ГМФ
гуанозин
реутилизация
пуринов
АМФ
ФРПФ
аденин
инозин
аденозин
ФРПФ
гуанин
гипоксантин
ксантин
При
повышении
ферментативной
активности
белков-участников
синтеза
пуриновых нуклеотидов или
снижении
их
чувствительности
к
аллостерическим эффекторам
нарушается
ретро-контроль
этого синтеза. При этом
избыточно синтезирующиеся
нуклеотиды
подвергаются
катаболизму,
следовательно,
образование мочевой кислоты
(урикогенез) повышается и
возникает
гиперурикемия.
Например,
при
гиперактивности
ФРПФсинтетазы
развивается
гиперурикемия,
подагра,
уролитиаз и глухота.
мочевая кислота
Причиной гиперурикемии может быть также
нарушение реутилизации пуриновых оснований
(повторного использования в синтезе ДНК) из-за
врожденных дефектов ферментов реутилизации.
При этом аденин, гуанин и гипоксантин не
используются
повторно,
а
полностью
превращаются
в мочевую кислоту, т.е. её
концентрация увеличивается.
При наследственном недостатке или отсутствии
фермента
гипоксантин-гуанинфосфорибозилтрансферазы возникает синдром Леша – Нихена,
проявляющийся только у мальчиков повышенной
экскрецией мочевой кислоты, тяжелой умственной
отсталостью, приступами агрессивного поведения
со склонностью к членовредительству.
115
NН3
+ СО2
(глутамин)
1
IV. Синтез пиримидиновых нуклеотидов
2АТФ
Регуляторные ферменты синтеза:
1 карбамоилфосфатсинтетаза
(ингибитор УТФ);
2• аспартаткарбамоилтрансфераза
2АДФ
карбамоил
фосфат
НАД+ НАДН+
Н2О
2
аспартат
3
карбамоиласпартат
4
дигидрооротовая кислота
оротовая кислота
оротидил- 5
фосфорибозилтрансфераза
Оротацидурия –
наследственное
заболевание, связанное
с
нарушением
превращения оротовой
кислоты в УМФ. С
мочой выделяется в 1000
раз больше оротата, чем
в норме, нарушается
синтез
ДНК.
Проявляется умственной
отсталостью и тяжелой
мегалобластической
анемией.
Лечат
«ударными»
дозами
уридина (до 1г в сутки.)
ФРПФ
Р Р
ЦТФ
Р
рибоза
рибоза
ОМФ
глу
9
ОМФ6
декарбоксилаза
АДФ
СО2
глн
АТФ
УТФ
АДФ
8
АТФ
УДФ
АТФ
АДФ
7
рибоза
УМФ
Р
В отличие от пуриновых, в синтезе пиримидиновых нуклеотидов сначала строится
свободное пиримидиновое кольцо, а затем к нему присоединяется рибозо-5-фосфат.
Источниками атомов пиримидинового кольца являются глутамин, угольная кислота и
аспартат. Вначале из амидного азота глутамина, CO2 и АТФ образуется
карбамоилфосфат (как и в синтезе мочевины). Затем к нему присоединяется
аспартат, в следующей реакции замыкается цикл с образованием дигидрооротата,
который дегидрируется в оротовую кислоту - пиримидиновое основание. Далее к ней
присоединяется фосфорибоза из ФРПФ и образуется первый пиримидиновый
нуклеотид ОМФ – оротидилмонофосфат, из которого образуется УМФ, а затем ЦТФ.
116
Биосинтез дезоксирибонуклеотидов
азотистое
основание
Р Р
Р Р
Н
ОН
нуклеозиддифосфат
(АДФ, ГДФ,
ЦДФ, УДФ)
азотистое
основание
НАДФН+
НАДФ+
дезоксинуклеозиддифосфат
(дАДФ, дГДФ,
дЦДФ, дУДФ)
Пролифелирующие
клетки
для
репликации
генома
нуждаются
в
дезоксинуклеозидтрифосфатах как субстратах для синтеза ДНК.
Восстановление рибозы в дезоксирибозу происходит только в составе нуклеозиддифосфатов, причем, непосредственным восстановителем является небольшой белок
тиоредоксин, а восстановительные эквиваленты поставляются НАДФН+.
Биосинтез тимидинмонофосфата
5-фторурацил
СН3
N,N-метенил
ТГФК
дУМФ
ДГФК
дТМФ
аминоптерин
метотрексат
ТГФК
Для синтеза ТМФ необходимо ввести в дУМФ метильную группу (-CH3). Её донором
является метенил-ТГФК (фактор роста!) с участием Vit B12, катализирует эту реакция
тимидилатсинтаза. При этом метенил-ТГФК, отдавая метильную группу,
превращается в дигидрофолат (ДГФК), которая восстанавливается в ТГФК с помощью
дигидрофолатредуктазы. Чтобы ТГФК снова превратилась в «носителя» метильной
группы, необходим серин как донор этого одноуглеродного фрагмента.
Ферменты, участвующие в этом процессе и контролирующие синтез ТМФ, а, значит, и
синтез ДНК, являются важными мишенями для действия цитостатиков
(5-фторурацил, метатрексат, аминоптерин).
117
ОБЩАЯ СХЕМА СИНТЕЗА И РАСПАДА НУКЛЕОТИДОВ
глоюкоза
глюкоза
аминокислоты
аминокислоты
СО
СО
22
АТФ
синтез
de
novo
витамины
пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды
(нуклеозидмонофосфаты)
АТФ
дАТФ,
дАТФ,дГТФ,
дГТФ,
дТТФ,
дТТФ,дЦТФ
дЦТФ
нуклеозидтрифосфаты
транскрипция
т-РНК
т-РНК
м-РНК
м-РНК
р-РНК
р-РНК
АТФ, ГТФ,
УТФ, ЦТФ
белок
трансляция
Распад тканей
нуклеопротеин
ы
пищи
пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды
(АМФ, ГМФ,
ГМФ,ТМФ,УМФ,ЦМФ)
ТМФ, УМФ, ЦМФ)
пуриновые нуклеозиды
(аденозин, гуанозин)
аденин
гуанин
мочевая кислота
пиримидиновые нуклеозиды
(тимидин, уридин, цитидин)
тимин
урацил
цитозин
мочевина + β-аланин
Выведение из организма
118
Задания для самопроверки и самокоррекции
Задание 1
В синтезе пуриновых нуклеотидов используется одна из перечисленных ниже
аминокислот . Какая именно?
А. Треонин
В. Валин
С. Тирозин
D. Глицин
Е. Гистидин
Задание 2
Для синтеза dТМP из
dUMP используется фермент тимидилатсинтаза. Какой
кофермент входит в ее состав?
А. НАД
В. ФАД
С. ТГФК
D. ТПФ
Е. НАДФ
Задача 3.
У ребенка с синдромом Леша-Нихана корковый паралич, гиперурикемия и
избыточное количество экскретируемых пуринов. Дефект какого фермента вызывает данную
патологию?
А.
Гипоксантин-гуанин-фосфорибозилтрансферазы
В.
Ксантиноксидазы
С.
Аденозиндезаминазы
Д.
Карбамоилфлсфа,0тсинтетазы
Е.
Тимидилатсинтазы
Задача 4. Для симптоматического лечения подагры больному назначен препарат
аллопуринол, синтетический аналог гипоксантина, что привело к возрастанию экскреции
последнего с мочой. Какой фермент ингибируется этим препаратом?
А. Аденозиндезаминаза
В. Ксантиноксидаза
С. Нуклеозидфосфорилаза
Д. Карбамоилфосфатсинтетаза
Е. Аденинфосфорибозилтрансфераза
Задача 5. Онкологическому больному проводится курс химиотерапии лекарственным
препаратом метотрексатом – антивитамином
фолиевой кислоты, который блокирует
дигидрофолатредуктазу и тем самым нарушает образование ТГФК. Какой этап синтеза ДНК
делящихся клеток наиболее чувствителен к ингибиторам этого фермента?
А. Синтез пуриновых нуклеотидов по”запасному” пути
В. Синтез УМФ
С. Образование ЦМФ из УМФ
Д. Образование АМФ из ИМФ
Е. Образование тимидилата из dУМФ
Правильность решения проверьте, сопоставив их с эталонами ответов.
1-D, 3-A, 5-E.
119
РАЗДЕЛ 8. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ГЕНЕТИКИ
Генетическая информация (проекты жизни) живущих на Земле
сохраняются в определенной последовательности нуклеотидов молекул ДНК,
организованных в хромосомы.
5’ конец
O
O
5
Р
На 5’-конце
находится
фосфатная
группа
O
O
CH2
N
основание
(аденин)
O
Р
O
N
N
CH2
1
4
O
Р
O
O
осн
CH2
O
O
O
O
OH
Р
2 3
OH
OH
Первичная структура
ДНКэто определенная
последовательность
дезоксирибонуклеотидов в
полинуклеотидной цепи,
связанных 3’,5’фосфодиэфирными связями.
O
5
O
азотистое
основание
O
O
NН2
N
осн
O
осн
O
CH2
O
OH
рибоза или
дезоксирибоза
нуклеозид (аденозин)
нуклеотид (аденозинмонофосфат)
3
O
O
3’ конец
OH
Р
O
O
На 3’-конце
находится
ОН группа
рибозы
Вторичная структура ДНК
Представляет собой двойную спираль, образованную
двумя полинуклеотидными цепями, закрученными вокруг
общей оси и расположенными антипараллельно. Цепи
удерживаются за счет водородных связей между
комплементарными
нуклеотидами
А -Т и G-C,
сидящих на спирализованном пентозо-фосфатном острове.
Спираль
стабилизирована
гидрофобными
взаимодействиями между основаниями, лежащими в одной
плоскости (перпендикулярной оси).
Цепи комплиментарны, но не идентичны друг другу, их
состав различен.
Длина молекулы достигает 8 см (в хромосоме “2”), ширина
~ 2 нм, вследсвие чего такая структура неустойчива.
120
Третичная структура ДНК:
Начальный элемент упаковки – нуклеосома:
сердцевину ее составляет октамер, состоящий из 4 димерных гистоновых белков,
обернутый отрицательно заряженной спиралью ДНК
(~2 оборота или 150 п.о.).
Начало и конец оборота фиксируется гистоном Н1. Участки двойной спирали между
нуклеосомами называются линкерными. Такая укладка молекулы «укорачивает» ДНК
в 7 раз и защищает от действия ферментов. Эта структура похожа на цепь бусинок.
Она далее спирализуется и закрепляется на основе из негистонных (кислых) белков
(ферменты, факторы). Каждая молекула ДНК упакована в отдельную хромосому,
которая содержит также разнообразные белки, т.е. ДНК находится в клетке в
комплексе с белками, образуя нуклеопротеин - хроматин или хромосомы.
Таким
образом, в каждой хромосоме находится одна гиганская ДНК, в среднем содержащая
150 млн нуклеотидных пар, длина молекулы 3-5 см. Величина хромосомы - 1нм, т.е.
ДНК суперспирализована, при этом линейный размер каждой молекулы ДНК
уменьшается в 8000 раз!
Состав хроматина:
ДНК - 30-40%
Комплекс из 8 гистонов
гистоны - 30-50%
- основные белки
четырех типов:
небольшого размера с высоким содержанием
(Н2А, Н2В, Н3, Н4)2
положительно заряженных аминокислот аргинина и лизина.
линкерная
Имеется 5 типов гистонов:
последовательность
Н2А, Н2В, Н3, Н4 - образуют нуклеосомы,
которые состоят из 146 пар нуклеотидов ДНК
ДНК
(заряженных отрицательно) и восьми гистонов,
имеющих положительный заряд,
Н1 - связываются с ДНК в межнуклео-сомных
гистон (Н1)
участках (линкерных последовательностях) и
Упаковка ДНК
защищают их от действия нуклеаз
и гистонов
в хроматине негистоновые белки (кислые)- 4-33% -это
нуклеосома
регуляторные белки и ферменты
РНК - 1.5-10%
Гаплоидный геном каждой клетки
человека – совокупность всех молекул
ДНК - включает 3,5 миллиарда пар
оснований (23 пары хромосом), что
достаточно для 1,5 миллионов пар
генов, а кодируется только 26,5 тысяч
белков. Для записи этой информации
используется только 25% общей
протяженности всей ядерной ДНК.
Полностью
расшифрован
геном
человека к 2001 году.
121
Проект жизни вмещается в одной или нескольких молекулах ДНК, объединенных в
понятие ГЕНОМ клетки или организма. Проект жизни переходит от поколения к
поколению, для чего требуется точное копирование ДНК клетки. При этом ДНК
распределяется между двумя дочерними клетками так, чтобы каждая получила точную
копию всей информации о строении белковых молекул, специфичных для данного
организма.
Функциональный потенциал ДНК
Функции ДНК двуедины:
1. Хранение наследственной информации и безошибочная ее передача при смене
поколений.
Это
обеспечивается дублированием информации (репликации)
каждой молекулы ДНК при делении клетки.
2. Передача генетической информации системам, строящим белковые молекулы. Она
реализуется путем синтеза молекулы РНК, комплементарной участку одной из
цепей ДНК. Этот участок – ген – несет информацию о структуре одной
полипептидной цепи.
Обе функции основаны на том, что молекула ДНК служит матрицей: в первом
случае
Нуклеиновые кислоты и белки
для репликации, во втором - для транскрипции.
называют информационными
молекулами,
так
как
в
чередовании их мономеров
заложен определенный смысл.
Последовательность
нуклеотидов
в
ДНК
определяет структуру всех
белков клетки. Участки ДНК
(гены),
кодирующие
определенные
белки,
копируются
(транскрибируются) в виде
Поток генетической информации
полинуклеотидной
цепи
(центральная догма молекулярной биологии)
матричной РНК, которая затем
рРНК
служит матрицей для синтеза
белка.
Таким
образом,
1
2
3
ДНК
мРНК
белок генетическая
информация,
записанная в ДНК (в генотипе)
тРНК
обеспечивает
образование
фенотипических
признаков
1 – репликация - синтез ДНК на матрице ДНК
клетки, то есть генотип
2 – транскрипция - синтез РНК на матрице ДНК
трансформируется
в
обратная транскрипция - синтез ДНК на
фенотип. Это направление
матрице РНК (онковирусы)
потока информации включает
3 - трансляция - синтез белка на матрице РНК
три типа матричных синтезов.122
Генетический код - это система записи информации о последовательности
расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения
нуклеотидов в ДНК. Он служит своеобразным словарем для перевода (translation –
перевод, англ.) генетической информации, записанной четырьмя буквами (А, У, Г, Ц) в
молекуле м-РНК в последовательность 20 видов аминокислот в первичной структуре
белка.
Свойства генетического кода
триплетность
кодона);
специфичность (один кодон кодирует одну аминокислоту);
вырожденность (одну аминокислоту могут кодировать несколько кодонов);
универсальность (характерен для всех живых организмов);
однонаправленность (текст читается только в направлении 5’
3’);
непрерывность (отсутствуют знаки препинания);
неперекрываемость;
линейность
(43=64
…ГГА ЦЦГ ГТА ААТ ТТГ ЦГА ГАЦ АТЦ ЦАТ ТАГ ГАТ ААГ…
…АТЦ ААТ ТЦГ ТАА АТТ ГАГ АЦА ТЦЦ АТТ АГГ АТА АГГ
…ААТ ТЦГ ТАА АТТ ТГЦ ГАГ АЦА ТЦЦ АТТ АГГ АТА АГГ…
транскрипция
…УАУ ГЦУ УУА АГЦ АУУ УАЦ ЦУЦ УГУ АГГ УАУ УЦЦ УАА…
трансляция
…-тир – ала – лей –сер –иле – тир – лей – цис – арг - тир – сер
фрагмент
ДНК
фрагмент
мРНК
фрагмент
белка 123
I. Репликация (биосинтез ДНК)
РЕПЛИКАЦИЯ – процесс удвоения ДНК, суть которого состоит в образовании
идентичных копий ДНК для передачи генетической информации в поколениях клеток и
организмов. Синтез ДНК происходит по полуконсервировативному механизму,
который позволяет точно копировать эти молекулы при делении клеток. При этом
двойная спираль расплетается, позволяя цепям расходиться так, чтобы на них
синтезировалась новая нить, полностью комплиментарная матрице. Каждая из копий
содержит одну родительскую нить, а вторую – вновь синтезированную (дочернюю).
При этом появляются 2 точные копии исходной ДНК.
Суммарное уравнение репликации:
n дАТФ
n дГТФ
n дЦТФ
n дТТФ
ДНК-матрица
ДНК
ДНК-полимеразы
(I,II,III) – у прокариот
– у эукариот
дАМФn
дГМФn + (n+n+n+n) ФФ
дЦМФn
дТМФn
Для репликации необходим ряд условий:
наличие дезоксирибонуклеотидтрифосфатов (дАТФ, дГТФ, дЦТФ. дТТФ) в качестве
структурного материала при сборке новых цепей ДНК и в качестве источников энергии
расплетение двойной спирали ДНК и формирование репликативной вилки
образование “затравки” – РНК-праймера
наличие ферментов и специфических белков, участвующих в репликации
(реплисомы)
наличие ионов магния, которые необходимы для действия всех полимераз
Все процессы биосинтеза ДНК (полимеризация) катализируются ДНК-полимеразами,
в
качестве
матрицы
(программы
для
чтения)
они
используют
материнскую цепь ДНК;
в качестве субстратов (строительных блоков) они используют д-нуклеозидтрифосфаты
(дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ). Синтез каждой дочерней цепи ДНК идет комплементарно
и антипараллельно матричной цепи и всегда в направлении
5‘
3'. Каждый раз фермент отщепляет от дНТФ группу Ф~Ф и соединяет
фосфатный конец дМНФ через 3’-ОН рибозы предыдущего нуклеотида. Быстрый
гидролиз Ф~Ф завершает необратимость реакции.
Все ДНК-полимеразы нуждаются для своей работы в предварительно синтезированных
олигонуклеотидах – РНК-затравках, 3’-ОН группа которых используется для удлинения
цепи. Затравка называется РНК-праймером (до 10 нуклеотидов), синтезируются
праймазой (ДНК-зависимой РНК-полимеразой).
124
материнская
цепь ДНК
топоизомераза
(гираза)
направление
движения вилки
Реплисома - мультиферментный
комплекс - ДНК-репликазная
система,
которая
включает
около 20 ферментов и белковых
факторов
хеликаза
праймаза
дочерняя
цепь ДНК
ДНК-полимераза III
ДНК- полимераза I
дочерняя
цепь ДНК
ДНК-лигаза
1 - топоизомераза (гираза) - обратимая нуклеаза, сначала она разрывает цепь
ДНК, а по окончании репликации зашивает временные надрезы, раскручивает
суперспирализованную ДНК и выполняет “шарнирную” функцию - препятствует
вращению суперспирализованной цепи (вносит одноцепочечные разрывы в цепь
ДНК и тут же ее репарирует)
2 - хеликаза - использует энергию АТФ для расплетения двойной спирали ДНК,
разрывает водородные связи между комплиментарными нуклеотидами в двойной
цепи ДНК (застежка “молния”)
3 - ДНК-зависимая РНК-полимераза (праймаза) - синтезирует РНК-праймер олигорибонуклеотид, служащий затравкой для ДНК-полимеразы III
4 - ДНК- полимераза I (фермент Корнберга) - расщепляет праймер (обладает
нуклеазной активностью) и на его месте синтезирует комплиментарную цепь ДНК
(обладает полимеразной активностью), заполняет бреши.
5 - ДНК-полимераза III -основной фермент репликации - синтезирует
комплиментарные дочерние цепи на разошедшихся материнских цепях в
направлении 5’ 3’. Она не способна инициировать синтез новой цепи ДНК, может
лишь удлинять затравку-праймер. Образует 3,5-фосфоэфирные связи между
нуклеотидами, используя в качестве субстратов нуклеозидтрифосфаты (НТФ).
6 - ДНК-лигаза сшивает фрагменты синтезированной дочерней ДНК.
125
В настоящее время процесс репликации у прокариот достаточно изучен, в
то время как многие аспекты эукариотической репликации остаются неясными.
Однако, с большой долей вероятности можно утверждать, что в большинстве клеток
этот процесс протекает в основном одинаково.
ЭТАПЫ РЕПЛИКАЦИИ
1. Инициация
Происходит в S-фазе клеточного цикла.
Осуществляется
путем
локального
разделения (плавления) полинуклеотидных
цепей в области начала репликации ori
(original–начало, англ.) со специфической
последовательностью оснований, богатой
А::::Т
парами. К ней присоединяются
особые белки, например хеликаза, которая
расплетает двойную спираль, используя
энергию АТФ. Образуется репликативный
пузырь.
Другие белки - SSB-белки - связываются с
одиночными цепями и препятствуют
реставрации (обратному скручиванию)
двойной спирали.
От точки начала репликации процесс
расплетения продвигается вдоль ДНК в обе
стороны. В каждой из них начальный
участок, в котором ДНК разделяется на
одиночные
нити,
называющиеся
репликативной
вилкой,
где
и
располагается
хеликаза,
которая
раскручивает
двойную
спираль
со
скоростью ~50 п.о. в секунду (у эукариот)
или
50 тыс. – 100 тыс. п.о. в минуту (у
прокариот).
Обе репликативные вилки, удаляясь друг
от друга, проходят расстояние до таких же
вилок, движущихся им навстречу от
соседних точек ori. В молекуле ДНК
эукариот более 1000 таких точек и все они
«работают» одновременно, поэтому полная
репликация
генома
человека
осуществляется за 8-9 часов.
ori.
5’
3’
хеликаза
SSB-белки
5’
праймер
фрагменты
Оказаки
3’
3’
5’
«лидирующая»
цепь
3’
5’
«запаздывающая»
цепь
репликативная вилка
126
Движение хеликазы усиливает скрученность (супер-спирализацию) впереди нее.
Убирают образующиеся супервитки ферменты топоизомеразы. Они разрывают
фосфатную перемычку (3’ – 5’ – cвязь) в одной из цепей (не гидролизуя, а замыкая 3фосфоэфирную связь с д-рибозы на ОН-тирозина фермента). Оставшийся свободный
конец свободно вращается, благодаря чему и убираются супервитки, а потом опять
сшивается ферментом топоизомеразой.
Как уже отмечалось, ДНК-полимеразы не могут соединять 2 первых нуклеотида, т.е.
инициировать синтез, они могут только удлинять цепь. Поэтому в начале белок DnaG
(праймаза) присоединяется к открытым цепям ДНК в области ori и катализирует
синтез затравки – праймера (10-12 нуклеотидов РНК, присоединенные по принципу
комплиментарности). Праймаза образует связи 3’ – 5’. Синтез происходит в
направлении 5’
3’.
После завершения синтеза праймера дальнейший рост осуществляет основной
фермент репликации - ДНК-полимераза III.
2. Элонгация
Репликация на двух антипараллельных цепях происходит
3’
5’
хеликаза
одновременно.
На одной цепи ДНК синтез дочерней идет непрерывно в
направлении 5’
3’ от участка ori по мере
раскручивания и продвижения вилки (такая дочерняя цепь
праймер
называется лидирующей цепью).
На второй цепи синтез дочерней идет в направлении,
обратном движению вилки. Создание этой дочерней нити
(отстающей, запаздывающей), начинается в виде
отдельных отрезков (100-200 нуклеотидов) – фрагментов
фрагменты
Оказаки (названы по имени японского ученого Р.
Оказаки
Оказаки). Каждый из них начинается от своего праймера и
праймер
продолжается
(почти)
до
достижения
праймера
5’
3’
5’
3’
предыдущего фрагмента Оказаки.
Как лидирующая цепь, так и отстающая, (из фрагментов Оказаки) синтезируются ДНКполимеразой III. Кроме полимеразной активности, все ДНК-полимеразы обладают и 3’,
5’-экзонуклеазной активностью, т.е. могут гидролизировать связь и удалять нуклетиды
с 3’-концов (в направлении «назад»), что позволяет этим ферментам проверять и
устранять свои ошибки.
У полимераз I и III есть и 5’3’ экзонуклеазная активность, что позволяет им
участвовать в репарации.
Та же активность позволяет ДНК-полимеразе I удалять праймер, постепенно отрезая от
5’-конца по одному рибонуклеотиду, а к 3’-концу фрагмента присоединяя
дезоксирибонуклеотиды, используя свою полимеразную активность. Промежутки,
которые возникают 3’-ОН и 5’-фосфатом, сшивают ДНК-лигазы, используя энергию
127
АТФ.
Редактирующая активность ДНК-полимеразы III
Если к растущей цепи добавился неправильный нуклеотид, он немедленно
удаляется еще до завершения синтеза. При образовании неправильной пары резко
ухудшается кинетика процесса, скорость движения фермента падает, в результате
активируется другой центр ДНК-полимеразы III, который гидролизует (удаляет)
последний ошибочный нуклеотид (фермент как бы «оглядывается» и исправляет свою
ошибку!)
Ошибки возникают с частотой примерно одна на миллион
Редактирующая активность фермента понижает частоту ошибок в ~100 раз.
3. Терминация.
Заканчивается репликация тогда, когда вся матричная ДНК скопирована. В
образованной таким образом двойной спирали ДНК только одна из цепей
синтезирована заново. Поэтому говорят, что репликация ДНК происходит по
полуконсервативному механизму. У E.coli петля растет со скоростью 1000 пар
нуклеотидов в секунду. Для репликации всей молекулы хромосомной ДНК этой
бактерии необходимо 42 минуты. У эукариот репликативная петля растет со скоростью
100 п.н. в секунду. Вероятно, это связано с наличием связи с гистонами. У человека для
полной дупликации ДНК необходимо 8 часов.
Принципы репликации:
комплементарность
антипараллельность
униполярность
потребность в затравке
прерывистость
полуконсервативность
128
«Молекулярные часы клетки» - теломеры
Особенность репликации линейных молекул эукариот связана со
сложностью репликации концевых участков матрицы ДНК: отстающая цепь
репликации не может синтезироваться до 5’ конца без праймера, а он не
образуется на самом концевом участке. Потери концевой ДНК делают
невозможным бесконечное деление клеток.
Считается,
что
существуют
«молекулярные
часы»,
определяющие
продолжительность жизни соматических клеток. Обнаружено, что концы
линейных хромосом защищены специальными последовательностями TTGGGG,
которые повторяются тысячи раз. Они называются теломерами. Без них
хромосомы начинают сливаться с большой частотой, что вызывает генетические
нарушения.
Наличие на концах хромосом специальной теломерной ДНК
позволяет решить и проблему концевой недорепликации.
Соматические клетки теряют от 50 до 200 п.о. при каждом делении
клетки, что является основой молекулярного механизма, определяющего
продолжительность жизни клетки.
«Бессмертные клетки» (бесконечно пролиферирующие) содержат
фермент теломеразу, которая достраивает свободные 3’ концы хромосом
короткими повторяющимися последовательностями – теломерами. Теломераза
содержит собственную РНК-матрицу, поэтому она относится к обратным
транскриптазам. Используя эту матрицу, теломераза удлиняет молекулу ДНК,
которая затем реплицируется с помощью ДНК- полимеразы.
В большинстве клеток теломераза заблокирована, она активна в
стволовых и половых клетках.
В каждом цикле деления полимеры клетки укорачиваются из-за
«недорепликации» - важнейшего фактора биологического строения. Теломера
укорачивается медленно: по 3-6-нуклеотидов за клеточный цикл. Но эта эрозия
может ускоряться в сотни раз рекомбинаций в их ДНК.
Предполагается, что ингибиторы обратных транскриптаз
(азидотимидин, карбовир), могут подавлять работу теломеразы в клетке, вызывая
процесс, похожий на старение клеток in vitro, что проявляется прекращением
пролиферации и специфическом изменении морфологии клеток.
129
II. Репарация
Передача генетической информации в неискаженном виде - важнейшее условие
сохранения вида. Это обеспечивается за счет комплементарности. Однако, возможны
как ошибки репликации, так и неблагоприятное действие окружающей среды
(радиация, УФ-облучение, химические агенты).
Cуществует специальная система мониторинга точности спаривания нуклеотидов,
причем осуществляется двойная проверка:
- при включении ДРН в растущую цепь;
- после включения ДРН путем удаления ошибочных нуклеотидов (ошибки происходят
не чаще, чем 1 раз на 10 пар оснований).
Причины спонтанных нарушений
ошибки репликации
депуринизация вследствие непрочности N-гликозидной связи в пуринах
дезаминирование (Ц
У, А
Г, Г Х)
Причины индуцированных нарушений
алкилирование азотистых оснований (алкилирующие агенты применяются как
ингибиторы новообразований)
образование сшивок - пиримидиновых димеров между соседними основаниями
(тимином) под действием УФ-облучения
сахаро-фосфатный
остов
ДНК
пары оснований,
связанные
водородными
связями
повреждение
удаление
поврежденного участка
ДНК-полимераза I
строит новую копию
ДНК-лигаза
сшивает разрыв
Репарация
–
удаление
поврежденных
участков ДНК или ошибочно встроенных
нуклеотидов.
Ключевой
частью
всех
репаративных систем является распознавание
дефекта в структуре ДНК, который или сразу
восстанавливается,
или
маркируется
специальными белками.
Этапы репарации:
1)
узнавание
места
повреждения
и
раскручивание участка ДНК в области
повреждения
2) однонитевой разрыв ДНК с 5 –конца на
расстоянии около 20 п.о. от места повреждения
УФ-специфической эндонуклеазой
3) достройка (“латка”) поврежденной
цепи с помощью ДНК-полимеразы 1
4) отщепление поврежденного участка за счет
экзонуклеазной активности ДНК-полимеразы I
5) сшивание 3-конца латки с 5-концом
основной цепи ДНК-лигазой
130
В клетке действует несколько систем репарации, позволяющих сохранить
генетическую информацию. Нарушение работы таких систем приводит к
заболеваниям, например, к пигментной ксеродермии – аутосомно-рецессивному
наследственному заболеванию. Существует две основные клинические формы
проявления этого заболевания: одна сопровождается дегенеративными изменениями
в глазах и коже, а другая, кроме того, характеризуется неврологической
дегенерацией. Тяжелым осложнением этого заболевания является рак кожи. Причины
развития пигментной ксеродермии связывают с дефектами ферментов репарации
тиминовых димеров (в частности, нарушение синтеза УФ-специфичной
эндонуклеазы).
III. Генные
мутации
Изменения генетической программы ДНК клеток называются мутациями.
Различают хромосомные мутации (изменение числа хромосом, хромосомные
абберации) и молекулярные или генные мутации.
Генные мутации - это наследуемые изменения первичной структуры
ДНК, которые ведут либо к прекращению синтеза белка, либо к синтезу
измененного, дефектного белка.
Мутации в регуляторных участках оперона ведут к нарушению
регуляции или прекращению синтеза ДНК.
Существуют следующие варианты генных мутаций:
Транзиция - замена пар оснований
Миссенс-мутация - приводит к изменению смысла кодона при замене
нуклеотида, а, значит, к синтезу измененного белка. Например, серповидноклеточная анемия: кодон, отвечающий за включение глу в цепь гемоглобина,
превращается в кодон вал.
Замена одного нуклеотида не всегда ведет к изменению смысла кодона (т.к. код
вырожденный) - такое изменение ДНК фенотипически не проявляется.
Нонсенс-мутация - в результате замены образуется один из терминирующих
кодонов, при этом синтез белка прекращается и образуется незавершенный
белок.
Делеция - выпадение одной пары или групп оснований
Вставка одной пары или групп оснований. Эти мутации могут быть как с
изменением рамки считывания (выпадение или вставка одного или двух
нуклеотидов), что ведет к синтезу бессмысленного белка, так и без изменения
рамки считывания (три нуклеотида) - синтезируется белок, укороченный на 1
аминокислоту.
Изменение местоположения отдельных участков ДНК.
131
IV. Молекулярные основы транскрипции
Транскрипция - это синтез всех видов РНК по матрице ДНК, осуществляемый
ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой.
Экспрессия генов:
транскрипция
Молекула
ДНК,
хранящая
генетическую
трансляция
информацию, непосредственного участия в синтезе
белка не принимает. Возможно лишь снятие с нее
ДНК
копий, которые отправляются в цитоплазму,
доставляя генетическую информацию к рибосомам –
месту биосинтеза белка.
Каждая такая копия – послание (message, англ.) –
представляет собой м-РНК. Таким образом,
информация, записанная в последовательности
РНК
нуклеотидов ДНК копируются (транскрибируются) в
виде м-РНК с последующей трансляцией в
полипептидную цепь белка. Транскрипция – это
белок
первый этап в экспрессии генов.
Суммарное уравнение транскрипции:
kАТФ
l ГТФ
n ЦТФ
mУТФ
ДНК-матрица
РНК
РНК-полимеразы
АМФk
ГМФl + (k+l+n+m) ФФ
ЦМФn
УМФm
Осуществляется транскрипция с помощью ДНК-зависимых РНК-полимераз, для
работы которых необходимы: матрица – двуцепочечная ДНК, субстраты - АТФ, ГТФ,
УТФ, ЦТФ (они же используются как источники энергии), ионы магния.
У прокариот РНК-полимераза
состоит
из
4
субъединиц,
образующих
кор-фермент
(“сердцевина”),
к
которому
присоединяется дополнительный
белковый
σ-фактор,
способствующий более прочному
связыванию
фермента
со
специфической
промоторной
последовательностью на матрице
ДНК.
Эукариотические клетки обычно
содержат 3 типа РНК-полимераз:
РНК-полимераза I катализирует синтез
рибосомальной (рРНК);
РНК-полимераза II катализирует синтез
пре-мРНК - ингибируется токсином
бледной поганки α-аманитином;
РНК-полимераза III катализирует синтез
трпнспортной (тРНК).
132
РНК синтезируется комплементарно и антипараллельно транскрибируемой цепи ДНК.
Рост цепи РНК идет только в направлении 5'
3'. Для начала синтеза РНК
фермент не нуждается в поли- или олигонуклеотидной затравке. Цепь ДНК, на
которой идет транскрипция, называется кодирующей, другая - некодирующей.
Принципы транскрипции:
комплементарность.
антипараллельность.
униполярность.
беззатравочность.
асимметричность.
Отличия ферментов транскрипции и репликации
РНК-полимераза не нуждается в праймере
РНК-полимераза сама расплетает материнскую цепь
РНК-полимераза не обладает нуклеазной активностью
РНК-полимераза перемещается по матрице значительно
медленнее, чем ДНК-полимераза
РНК-полимераз в клетке значительно больше, чем
ДНК-полимераз
Синтез РНК начинается в особых участках ДНК, называемых промоторами, а
заканчиваются в терминаторах. Участок ДНК, ограниченный промотором и
терминатором, называется транскриптон (эукариоты) или оперон (прокариоты). Он
включает гены или структурные цистроны, которые несут информацию о структуре
полипептидных цепей или нематричных РНК. Транскриптон может содержать один
структурный ген или несколько.
Структура оперона
Промотор - участок оперона, служащий для узнавания ферментом РНК-полимеразой.
Последовательность оснований по ходу цепи ДНК ниже сайта промотора с
направлением 3’ 5’ используется в качестве матрицы для синтеза РНК.
Промоторы прокариот –представляют собой последовательность, состоящую из ~40
нуклеотидов. Узнавание и прочное связывание с РНК-полимеразой происходит на
разных участках ДНК. Эти участки отличаются и по первичной, и по вторичной
структуре. Путем секвенирования выявили структуру многих промоторов. У
большинства из них имеется общее свойство.
133
РНК-полимераза
узнает
промотор,
покрывая 40-60 пар нуклеотидов. В
промоторе
узнается
взаимное
расположение двух
AT-богатых
участков. В каждом из них 4-6 пар
нуклеотидов. Центры этих участков
находятся в положениях "-10" и "-35".
Принципиально
важным
является
расстояние между этими участками. Оно
колеблется
от
16
до
19
п.н.
Искусственное
увеличение
этого
расстояния до 20 п.н. или уменьшение
его до 15 п.н. приводит к тому, что РНКполимераза не узнает испорченный
промотор.
Для связывания G-фактора РНК-полимеразы с ДНК (сайт инициации) служит « - 35
последовательность» из 6 нуклеотидов, а расплетение двух цепей ДНК происходит в
«Pribnowbox», т.е. – «- 10 последовательности». В этих участках много пар А::::Т,
между которыми только две водородные связи, поэтому цепи ДНК легко расходятся
(«плавятся»).
Промоторы эукариот содержат участки, которые не только указывают место начала
транскрипции, но и базовую частоту этого процесса.
Большинство генов эукариот содержит в своем промоторном участке специфические
последовательности матричной ДНК, которые усиливают (энхансеры) или ослабляют
(сайленсеры) уровень экспрессии соответствующих структурных генов, влияя на
активность транскрипции, т.е. на количество синтезируемых молекул мРНК и на
скорость их образования.
Энхансеры могут повышать эффективность транскрипции генов, на которые они
влияют, в десятки и сотни раз. Установлены нуклеотидные последовательности
энхансеров для ряда ферментов (алкогольдегидрогеназы, химотрипсина), гормонов
(инсулина), иммуноглобулинов.
Для транскрипции требуется не только РНК-полимераза, но и другие белки – основные
факторы транскрипции. У эукариот таким фактором является ТАТА-связывающий
белок, который взаимодействует с ТАТА-последовательностью (ТАТА-боксом). В этот
комплекс встраивается РНК-полимераза и другие основные факторы транскрипции.
Главная задача такого комплекса – «распаковать» нуклеосому, а кроме того создать
условия сорбции специфических факторов транскрипции, которые могут
активироваться после взаимодействия с определенными веществами, напрмер,
гормонами.
134
Цистрон - последовательность нуклеотидов ДНК, кодирующая один
полипептид (в большинстве случаев - белок) или одну tРНК, или одну
rРНК.
В большинстве случаев цистроны объединяются в оперон по следующему
принципу: закодированные в них белки принимают участие в одной
биохимической цепи реакций.
Гены содержат интроны - неинформативные участки и экзоны информативные участки.
Терминатор - последний участок транскриптона, служит сигналом об
окончании транскрипции.
Первичный транскрипт - РНК, образующаяся при транскрипции комплементарная копия транскриптона от промотора до терминатора.
промотор
ген
терминатор
ДНК
ЭТАПЫ
ТРАНСКРИПЦИИ
1. Инициация
транскрипции
кодирующая
цепь ДНК
2. Элонгация
транскрипции
3. Терминация
транскрипции
(первичный транскрипт)
135
ЭТАПЫ ТРАНСКРИПЦИИ
На всех этапах транскрипции необходимо участие специальных белковых факторов:
А, В – факторов инициации, Е, Н, F – факторов элонгации, ρ-фактор – фактор
терминации.
1. Инициация
ДНК-зависимая РНК-полимераза связывается с ДНК и «ищет» промотор, перемещаясь от 3’-конца
кодирующей цепи ДНК.
РНК-полимераза находит промотори связывается с ним с помощью σ-фактора. При этом цепь ДНК
не раскручена.
Цепь ДНК раскручивается с помощью РНК-полимеразы от «-10» до «-1» участка, образуя
открытый промоторный комплекс, который затем с помощью ионов магния еще более расширяется.
Первый нуклеозидтрифосфат, который «ставит» РНК-полимераза, всегда пуриновый: АТФ или
ГТФ. Таким образрм, синтез РНК всегда начинается с пуринового нуклеозидтрифосфата (Пур-5ФФФ).
На этом этапе действуют
ингибиторы антибактериальные
антибиотики
рифамицин и
рифампицин, а также
противоопухолевый
антибиотик
актиномицин D
136
По мере продвижения кор-фермента происходит расплетание ДНК – как бы
движется «пузырь транскрипции», содержащий около 18 п.о. в расплетенном виде. Как
только одна п.о. становится раскрученной перед 3’-концом растущей цепи РНК, одна
п.о. скручивается за «хвостом» РНК-полимеразы.
В результате элонгации образуется гибрид ДНК-РНК.
На этом этапе действует
ингибитор элонгации стрептолидигин
3. Терминация
У E.coli . большинство генов терминируются 2 путями:
1)
путем формирования структур типа «шпильки» в РНК, в результате чего
ослабляется связь между РНК-полимеразой, матрицей (ДНК) и самой РНК. Эти
структуры образуются благодаря копированию сигналов терминации, которые
представляет собой определенную последовательность в рамках кодирующей
цепи ДНК. Специфичными для терминирующих участков являются
палиндромы (обратные повторы) и полиА-последовательности. Транскрипт
с этого участка имеет форму шпильки с концевой УУУУпоследовательностью.
2)
путем узнавания терминирующей последовательности специальным белкомПри взаимодействии ρ-фактора с
p-фактором.
РНК-полимеразой она теряет
ДНКсродство к ДНК и комплекс
матрица
распадается:
фермент
отделяется
от
ДНК,
терминирующий
высвобождаются
фактор и и
участок ДНК
первичный транскрипт, т.е. РНК
первичный транскрипт
(РНК)
ρ-фактор
РНК-полимераза
После терминации кор-фермент,
отделившись от ДНК-матрицы и
связавшись с новой молекулой
сигма-фактора,
приступает
к
синтезу новой молекулы РНК.
137
Модификация РНК
У прокариот м-РНК синтезируется сразу в зрелом виде.
У эукариот все первичные транскрипты , образующиеся с помощью РНКполимеразы II, подвергаются процессингу (созреванию) в период между их синтезом
и началом реализации соответствующей функции - в роли мРНК, тРНК или рРНК.
Процессинг - сложный процесс, включающий “кэпирование”,
реакции
расщепления
и
лигирования
(сплайсинг),
присоединение дополнительных концевых нуклеотидов и
нуклеозидную модификацию
7-метилгуанозинтрифосфат
«кэп»
5’-конец
“Кэпирование”
- присоединение к 5-концу мРНК
метилгуанозинтрифосфата (связь 5-5), происходит еще в ядре, в
процессе элонгации, когда длина цепи РНК достигает около 30
нуклеотидов. РНК-полимераза II
сразу после инициации
«метит» 5’-конец особой меткой, которая получила название
«кэп» (сар – кепка, англ.). Она отщепляется от 5’-концевого
м-РНК
НТФ последний фосфат, заменяя его остатком ГМФ,
прикрепленной необычной 5’-5’ фосфо-эфирной связью. Далее
метилируется гуанин в положении 7 пуринового кольца. Сар (7метилгуанозинтрифосфат) защищает
м-РНК от действия
экзонуклеаз и отвечает за будущее связывание ее с рибосомой.
Полиаденилирование - присоединение к 3’- концу
синтезированного транскрипта от 20 до 200 остатков АМФ с
поли-Апомощью
фермента
полиаденилатполимеразы.последовательность
Синтезированный «поли-А-хвост» также защищает м-РНК от
3’-конец
экзонуклеаз (с 3’-конца) и способствует выходу м-РНК из ядра.
Сплайсинг – точнее вырезание неинформативных участков (интронов) и сшивание
несущих смысловую нагрузку экзонов. При этом экзоны соединяются в том порядке, в
каком они присутствовали в первичном транскрипте. Альтернативный сплайссинг,
при котором изменяется распределение экзонов одного транскрипта, позволяет
увеличить генетическое разнообразие генома (увеличение количества различных
белков) без увеличения количества генов.
Все три класса РНК транскрибируются с генов,
которые содержат интроны.(до нескольких тысяч
нуклеотидов).
Из 25 % длины ДНК, которые кодируют ~ 30 тысяч
белков, только 1,1 % - энзоны, а ~24% -интроны.
Считается, что присутствие интронов защищает
функционально активную часть генома клетки от
повреждающего действия химических или
физических (лучевых) факторов.
138
V. Трансляция - биосинтез белка
Трансляция-
это
перевод
генетического
текста
мРНК
в
линейную
последовательность аминокислот в полипептидной цепи белка.
Чтобы аминокислота «узнала» свое место в будущей полипептидной цепи, она должна
связаться с транспортной РНК (тРНК), выполняющей адапторную функцию: с одной
стороны, «узнает» кодон на мРНК, с другой – связывается с соответствующей этому
кодону аминокислотой.
Все т-РНК имеют одну полинуклеотидную цепь, отдельные участки которой образуют
спиралевидные петли - “шпильки” за счет водородных связей А-Т и Г – Ц ( 70% п/п
цепи), в результате образуется пространственная конфигурация в виде “ клеверного
листа”.
Благодаря антикодону -триплету в средней части молекулы тРНК, комплементарному
определенному кодону на мРНК, тРНК “читает” текст на м-РНК, а с помощью
акцепторного участка на 3-конце - ЦЦА ( обязательного для всех т-РНК)
присоединяет соответствующую аминокислоту с образованием аминоацил-тРНК.
Специфическое взаимное узнавание аминокислоты и тРНК происходит с помощью
фермента - аминоацил-тРНК-синтетазы (АРС-азы). Этот фермент узнает и
связывает тРНК, а затем переносит аминокислотный остаток на 3’-ОН группу
концевого аденозина, присоединяя ее сложно - эфирной связью:
аминокислота + тРНК + ATP
аминоацил-тРНК + АМР + РР
аа-тРНК-синтетаза
139
Компоненты белоксинтезирующей системы:
м-РНК - генетическая матрица - содержит линейную последовательность
кодонов, определяющих первичную структуру белков
набор (около 60 ) аа-т-РНК - для чтения текста на м-РНК и как источник
аминокислот при сборке белка. Выполняет функцию адаптора, переводящего
запись информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот
АТФ, ГТФ - источники энергии
белковые
факторы
инициации,
элонгации,
терминации
специфические внерибосомные белки, необходимые для процессов трансляции
ионы магния - стабилизируют структуру рибосом
рибосомы
рибонуклеопротеиновые
субклеточные
структуры,
являющиеся местом синтеза белков - молекулярные машины для
последовательного соединения аминокислот.
В состав рибосом входит рибосомальная РНК (рРНК) , окруженная белками.
Рибосомы состоят из 2 неравных субъединиц. Находятся в свободном состоянии в
цитоплазме или связаны с мембранами эндоплазматического ретикулума. Могут
свободно перемещаться в различные участки клетки ----> собирать белок там, где
необходимо.
5’ конец
старткодон
AUG
N
Рибосомы и их субъединицы классифицируют не по
массам, а в соответствии с коэффициентами
седиметации
(S),
которые
определяются
ультрацентрифугированием:
мРНК
N
направление
движения
рибосомы
растущий
пептид
белок
стоп-кодон
UAA
UAG
UGA
C
60S
30
40S
3’ конец
5S rРНК
23S
rРНК
34
молекул
белков
N
N
Прокариотическая
рибосома
70S
50S
30S
16S
rРНК
21
белок
Эукариотическая
рибосома
80S
60S
40S
5S rРНК
5.8S
18S rРНК
rРНК
28S rРНК
не менее
50
разных
белков
не менее
33
разных
белков
В синтезе белка мРНК использует не одну, а
несколько рибосом, в результате чего
образуются полисомы. При этом повышается
эффективность использования мРНК, а
следовательно, повышается скорость синтеза
белка .
140
1. ИНИЦИАЦИЯ ТРАНСЛЯЦИИ
Наиболее ответственным моментом трансляции являются точное
узнавание самого первого кодона, который соответствует N-концевой аминокислоте
будущего белка. От этого зависит правильность установки рамки считывания. При
этом оба конца мРНК имеют нетранслируемые участки.
Стартовая точка – инициирующий кодон АУГ, кодирующей метионин, т.е. каждый
белок начинается с метионина. Чтобы отличить этот «начальный» метионин от других
молекул метионина, которые встраиваются в белки, у клетки есть две разные по
структуре тРНК с одинаковыми антикодонами (УАЦ) и только одну из них
распознают IF2 (фактор инициации) и только в комплексе с ним эту met-мРНК может
принять П-сайт рибосомы. (IF2 обладает ГТФ-азной активностью).
Шаги инициации
• мРНК фиксируется на малой субъединице рибосомы вблизи кэпа
• мет-тРНК вместе с IF2 связывается с малой субединицей рибосомы в П-сайте с
участием КЭП-связывающих белков и других факторов инициации.
•у прокариот малая рибосома сразу взаимодействует с участком мРНК, содержащего
АУГ или ГУГ (инициирующим), которые соответствуют N- формил мет-т-РНК.
• Малая субъединица, объединенная с мет-т-РНК продвигается по м-РНК к ее 3’-концу
с помощью АТФ-зависимого механизма до встречи с кодоном АУГ. По принципу
комплиментарности антикодон мет-тРНК (УАЦ) связывается с кодоном АУГ (при
этом расщепляется ГТФ), что служит сигналом к объединению малой субъединицы с
большой (одновременно в цитоплазму вытесняются белковые факторы). Образуется
комплекс: м-РНК-рибосома-метионил-т-РНК, готовый к элонгации.
40S
IF1
IF2 IF3
ГТФ
комплекс
инициации
60S
cтимулирует
ГТФ-азную активность
фактора IF2
П-сайт
Факторы инициации у прокариот:
IF1 ;
IF2 – обладает ГТФ-азной активностью;
метионил-т-РНК
IF3 – имеет максимальное сродство к
малой субъединице.
мРНК
У эукариот факторы инициации eIF1, eIF2…
( всего описано до десяти факторов). У эукариот
мРНК
ингибировать фактор инициации eIF -2 могут
интерфероны – белки, которые синтезируются
в лимфоидной и других тканях, обладают
антивирусной
и
противоопухолевой
IF1 IF2 IF3
активностью.
ГДФ
мРНК
А-сайт
рибосома,
готовая к трансляции
На рибосоме имеются два участка: П-сайт или
пептидильный сайт, служащий для связывания с
удлиняющейся полипептидной цепью; А-сайт
или
аминоацильный,
служащий
для
присоединения новой аа-тРНК. На стадии
инициации к П-сайту присоединяется метионилтРНК, А-сайт – свободен.
141
2. ЭЛОНГАЦИЯ ТРАНСЛЯЦИИ
Элонгация - это рост полипептидной цепи от N-конца к С-концу, ступенчатое
удлинение синтезируемой полипептидной цепи, путем образования пептидных связей
между аминокислотами, доставляемыми в А-сайт рибосомы транспортными РНК.
а) - связывание аа-т-РНК. В момент первого шага второй кодон на мРНК свободен. С
ним спаривается своим антикодоном поступающая в рибосомы аа-тРНК, ее
аминоацильный конец связывается с А-сайтом рибосомы. Участвуют белковые
факторы элонгации, в частности,
EF-2, который инактивируется дифтерийным
токсином путем АДФ-рибозилирования.
б) –транспептидация.
Происходит переброс пептидила с левой тРНК (из
П-сайта) на аминогруппу аа-тРНК, таким образом формируется пептидная связь с
помощью пептидилтрансферазы. Пептидилтрансферазную активность связывают с
рРНК, которую считают рибозимом, т.е. РНК, обладающей каталитической
активностью. В А-сайте образуется пептидил-тРНК (n+1) , П -сайт - вакантный.
в) - транслокация . Образовавшийся пептидил-тРНК переносится из А-сайта в П-сайт,
благодаря продвижению рибосомы относительно мРНК. Фермент - транслоказа.
Используется энергия ГТФ, т.е. участвует фактор элонгации EFG, обладающий ГТФазной активностью.
Транслирующая рибосома перемещается вдоль мРНК в направлении 3конца на 1 кодон (триплет), т.е. идет наращивание полипептидной цепи по 1
аминокислоте в соответствии с порядком кодонов мРНК. На рибосоме одновременно
может разместиться около 30 остатков аминокислот, остальные «свисают» в
цитоплазму.
Энергетические затраты на синтез 1 пептидной связи: 2АТФ и 2 ГТФ
м-РНК
5’
ГТФ ГДФ
образование
пептидной связи
Ингибиторы элонгации:
амицетин, эритромицин, пуромицин, тетрациклины.
образование
пептидной связи
142
Во время элонгации происходит важное событие - формирование
пространственной структуры полипептидной цепи, от чего в значительной степени
зависит жизнь этой молекулы.
Гидрофобные участки синтезируемого белка
притягиваются друг к другу,
гидрофильные - взаимодействуют с водой и ионами, вследствие этого происходит
самоорганизация растущей цепи во вторичную и третичную структуры.
Иногда белок (продукт) нужно отправить через мембрану, для чего он должен быть
раскручен.
Для этого синтезируемая цепь взаимодействует со специфическими
белками
–
шаперонами,
которые
препятствуют
сворачиванию
белка и поддерживают его в недосвернутом состоянии.
Шапероны- молекулы-наставницы, которые «уберегают» еще неготовый
белок от «рискованных контактов» его фрагментов. Они образуют нековалентный
комплекс с растущей полипептидной цепью, как бы «предостерегая» ее от ошибочных
вариантов скручивания и упаковки, и обеспечивают правильное складывание
полипептидной цепи (фолдинг), от чего зависит функциональная активность белка.
Считают, что
шапероны защищают организм от спонтанного возникновения
прионовых модификаций. Известно только то, что прионовые белки отличаются от
своих нормальных эквивалентов только необычной пространственной организацией
при той же первичной структуре
3. ТЕРМИНАЦИЯ ТРАНСЛЯЦИИ
В м-РНК присутствуют терминирующие кодоны (“стоп-сигналы”) УАА,
УГА, УАГ и белковые факторы терминации. С терминирующими кодонами не может
связаться ни одна т-РНК, т.к. нет соответствующих антикодонов, поэтому происходит
связывание с белковыми факторами терминации.
При этом активируются рибосомные белки – пептидазы, которые
гидролизуют сложноэфирную связь между синтезированным полипептидом и т-РНК.
Синтезированный белок отделяется от рибосомы, освобождается т-РНК и м-РНК.
VI. Посттрансляционная модификация белков
После трансляции белки подвергаются разнообразным превращениям –
химическим модификациям: удалению концевого метионина, гидроксилированию,
карбоксилированию, метилированию и др.
143
Регуляция
синтеза
белка
Концентрация многих белков в клетке непостоянна и изменяется в зависимости от
состояния клетки и внешних условий. Это происходит в результате регуляции
скоростей синтеза и распада белков. Регуляция экспрессии генов может
осуществляться на любой стадии на пути от гена до образования функциональноактивного белка.
Регуляция транскрипции
Транскрипция генов может подавляться или активироваться, следовательно, синтез
белков может репрессироваться или индуцироваться. Оперон - это участок ДНК,
кодирующий строение, как правило, функционально связанных белков и содержащий
регуляторную зону, контролирующую синтез этих белков. На рисунке приведена схема
лактозного оперона:
промотор
оператор
ген-регулятор
структурные гены
РНК-полимераза
ГР
П
О
Z
А
Y
ДНК
транскрипция заблокирована
м-РНК
белок-репрессор
РНК-полимераза
ИНДУКТОР (лактоза)
Z
ГР
П
м-РНК
ИНДУКТОР
лактаза
О
неактивный
репрессор
пермеаза лактозы
А
Y
ДНК
транскрипция разрешена
м-РНК
трансляция
трансацетилаза
Lac-оперон E. coli содержит 3 гена, отвечающие за образование белков, участвующих в переносе в
клетку дисахарида лактозы и в ее расщеплении.
Z - - галактозидаза (лактаза) -расщепляет лактозу на глюкозу и галактозу.
Y- - галактозидпермеаза - переносит лактозу через мембрану клетки.
А - тиогалактозидтрансацетилаза - ацетилирует галактозу.
144
VII. Действие антибиотиков на биосинтез
белка
145
Задания для самопроверки и самокоррекции
Задание 1
Для диагностики ВИЧ-инфекции используется метод полимеразной цепной реакции. Что лежит в его
основе?
A. Амплификация генов
B. Рекомбинация генов
C. Транскрипция РНК
D. Сплайсинг РНК
E. Элонгация трансляции
Задание 2 При отравлении ядом бледной поганки блокируется работа РНК-полимеразы В (ІІ). Какой
процесс при этом нарушается?
A. Обратная транскрипция
B. Синтез праймеров
C. Синтез мРНК
D. Синтез тРНК
E. Созревание РНК
Задание 3 Геном человека содержит более 30 тысяч генов, а количество вариантов антител достигает
миллионов. Благодаря какому механизму это возможно?
А. Образованию фрагментов Оказаки
B. Рекомбинации генов
C. Амплификации генов
D. Репарации ДНК
E. Репликации ДНК
Задание 4
Процесс биосинтеза белка является мишенью для многих антибиотиков. Какой процесс из
нижеперечисленных блокирует тетрациклин?
A. Элонгацию трансляции
B. Терминацию репликации
C. Терминацию трансляции
D. Элонгацию транскрипции
E. Инициацию репликации
Задание 5
При пигментной ксеродерме кожа очень чувствительна к солнечному свету. Дефект какого фермента
имеет место при данном заболевании?
A. ДНК-геликазы
B. Праймазы
C. УФ-эндонуклеазы
D. ДНК-гликозидазы
E. 5’, 3’ - экзонуклеазы
Правильность решения проверьте, сопоставив их с эталонами ответов.
1-A, 3-B, 5-C.
146
РАЗДЕЛ 9. ВВЕДЕНИЕ В
ЭНДОКРИНОЛОГИЮ
обратная
отрицательная связь
Для координации многочисленных специфических функций в дифференцированных
тканях многоклеточных организмов необходимы механизмы межклеточной регуляции.
В механизмах регуляции можно выделить три уровня:
Внутриклеточный уровень - осуществляется за счет ферментов (изменения их
активности или количества)
Межорганную регуляцию выполняют две основные системы:
эндокринная система (второй уровень) - совокупность всех эндокринных желез,
использующая в качестве мобильных посредников гормоны;
нервная система (третий уровень) - система проведения сигналов, обладающая
жесткой структурой.
Все три уровня теснейшим образом связаны и функционируют как единая система,
накладываясь и перекрываясь.
В иерархии регуляторных систем
главенствующая роль принадлежит
ЦНС
нервной системе, которая получает
сигналы как внешней, так и внутренней
предшестсреды, в результате чего возникают
венники
импульсы в специ-ализированных
гипоталамус
рецепторах. Импульсы поступают в
гипоталамус,
где
синтезируются
первые
биологически
активные
либерины
статины гормональные вещества - рилизингфакторы . Они не поступают в общий
предшестток крови, а по системе портальных
венники
сосудов
достигают
аденогипофиз
специализированных клеток гипофиза
и
оказывают
стимулирующее
(либерины)
или
тормозящее
(статины) действие на биосинтез и
тропные гормоны
выделение тропных гормонов. Эти
предшестгормоны с током крови поступают в
венники
соответствующую
эндокринную
периферические
железу,
вызывая
секрецию
железы
определенного
гормона.
Гормоны
действуют на органы или тканимишени, изменяя в них концентрацию
гормоны
метаболитов, т.е. влияя на обмен
веществ.
Избыток
гормона
по
принципу обратной отрицательной
клеткисвязи тормозит выработку гормонов
мишени
ответ клетки
гипоталамуса или гипофиза.
146
Гормоны - (hormao -греч. - побуждать к действию) - вещества органической природы,
вырабатываемые в специализированных клетках желез внутренней секреции,
поступающие непосредственно в кровь и оказывающее регулирующее влияние на
обмен веществ в тканях-мишенях и на функции всего организма.
Каждый гормон, где бы он ни был синтезирован, попадает в кровь и циркулирует
вместе с ней, встречаясь на своем пути с клетками всевозможных типов. Но далеко не
все клетки являются мишенями для любого гормона, они реагируют на присутствие в
крови лишь одного или нескольких, но тоже строго определенных гормонов.
межклеточное
пространство
гормон
кровь
рецептор
клеткамишень
клетка немишень
При этом все 75 триллионов клеток организма человека являются мишенями для
одного или нескольких из 50 известных гормонов.
Реакция ткани-мишени на действие гормонов зависит от ряда факторов:
скорости продуцирования гормона в кровь и скорости деградации его в печени
или в почках (от нескольких минут до нескольких суток);
анатомической близости ткани-мишени к источнику (эндокринной железе);
скорости ассоциации и диссоциации гормонов со специальными белкамипереносчиками. Гормоны находятся в крови как в свободном, так и в связанном
состоянии - с протеинами плазмы, специфическими белками-переносчиками (резервуар
гормонов, их неактивная форма). В тканях-мишенях гормон освобождаются от белка и
начинают функционировать. В клинике определяют свободную и связанную формы
(например, повышение свободных женских половых гормонов - плохой
диагностический признак).
Все гормоны взаимодействуют с клетками-мишенями через рецепторы - особые
молекулы узнавания, специфические белки сложной, уникальной структуры,
обеспечивающие высочайшую избирательность. Один гормон может иметь несколько
рецепторов. Нарушение функции рецепторов может лежать в основе многих
эндокринных заболеваний. Нарушения могут быть следующие:
появление антител против рецепторов определенных гормонов;
отсутствие связывания гормона с рецептором;
нарушение регуляции рецепторов.
148
Истинные гормоны обладают следующими отличительными свойствами:
целенаправленность и дистантность действия (образуются в одних органах,
действуют в других);
высокая биологическая активность (концентрация гормонов в крови ничтожно мала
(10-7 - 10-12 моль/л);
высокая специфичность (гормоны действуют только на свои ткани-мишени).
Кроме истинных гормонов, секретирующихся непосредственно в кровь и
обладающих дистантностью, существуют гуморальные регуляторные факторы
неэндокринного происхождения (гормоны локального действия), регулирующие
метаболизм там, где они вырабатываются (изокринное действие). Они образуются в
разных органах и тканях: лимфоидной системе, лейкоцитах, соединительной ткани,
ЖКТ, нервной системе, почках, миокарде, поэтому еще называются тканевыми
гормонами или гормоноидами.
лютропин
импульсы
Концентрация
гормонов
подвержена 30
периодическим колебаниям, которые могут зависеть 20
от времени года, времени дня или менструального 10
цикла. Многие гормоны поступают в кровь
12 15 18 21 24
3
6 9
импульсами и нерегулярно, их концентрация может
время, сут
пульсировать. Концентрация другой группы
внешнее
гормонов меняется в зависимости от внешних 30
воздействие
факторов (стресс, голодание, прием пищи). Выброс 20 инсулин
гормонов является ответом организма на внешнее 10 прием пищи
воздействие или на изменение внутреннего
12 15 18 21
24 3
6 9
состояния.
время, сут
I. Классификация гормонов
Существует несколько подходов к классификации гормонов:
по растворимости в воде и липидах (гидрофильные или липофильные гормоны);
по локализации рецепторов гормонов (мембранные или цитозольные рецепторы);
по секретирующим эндокринным железам (гормоны гипофиза, поджелудочной,
щитовидной железы и т.д.);
по метаболическому эффекту (гормоны гипергликемические, анаболические и т.д.)
по химической структуре:
гормоны белково-пептидной природы:
сложные белки (чаще гликопротеины): СГ, ТТГ;
простые белки: инсулин, СТГ;
пептиды: кальцитонин, глюкагон, нейропептиды, тканевые биорегуляторы;
гормоны - производные аминокислот: тироксин, адреналин, норадреналин и др.;
гормоны стероидной природы : кортикостероиды и половые гормоны,
производные витамина D;
эйкозаноиды – гормоноподобные вещества - производные арахидоновой кислоты:
простагландины, простациклины, тромбоксаны, лейкотриены.
149
II. Механизмы взаимодействия гормонов с клеткой
Все гормоны делятся на две большие группы в зависимости от клеточной
локализации рецептора (на клеточной мембране или внутри клетки), с которым
взаимодействует гормон. Это в свою очередь зависит от структуры и свойств самого
гормона:
гидрофильные гормоны – белково-пептидной природы и производные аминокислот
– не способны проникать внутрь клетки-мишени через липофильную клеточную
мембрану, действуют на клетку за счет связывания с мембранным рецептором;
липофильные гормоны – стероидные гормоны и иодтиронины – проникают в
клетку-мишень и взаимодействуют со специфическими рецепторами в цитоплазме или
в клеточном ядре.
Механизм
Механизм действия
действия гидрофильных
гидрофильных гормонов
гормонов
Трансформация гормонального сигнала в специфический ответ клетки-мишени
происходит в результате следующих молекулярных событий:
Передача гормонального сигнала осуществляется через белковые рецепторы,
расположенные на поверхности плазматической мембраны. Различают два основных
типа мембранных рецепторов:
ионотропные рецепторы – после взаимодействия с гормоном они способствуют
открытию ионных каналов на мембране и развитию быстрых ионных потоков (кальция,
натрия, калия, хлора);
метаботропные рецепторы активируют системы клетки через белкитрансдукторы (G-белки).
гормон
метаботропный
рецептор
эффекторные
ферменты:
аденилатциклаза,
гуанилатциклаза,
фосфолипаза С,
фосфолипаза А2.
G-белки - это внутримембранные белки, которые принимают химический сигнал от
рецептора, модифицированного гормоном, и передают этот сигнал на эффекторные
системы клетки. Существует несколько типов G-белков, основные из них:
Gs - стимулирующие аденилатциклазу;
Gi - ингибирующие аденилатциклазу;
Gq – активирующие фосфолипазу C.
150
Эффекторные ферменты – аденилатциклаза, гуанилатциклаза, фосфолипаза С и
др. расположены на внутренней поверхности клеточной мембраны. Они стимулируют
образование в цитоплазме клетки вторичных посредников – мессенджеров.
Наиболее важными вторичными мессенджерами являются: циклический АМФ
(цАМФ), циклический ГМФ (цГМФ), ионы Са 2+ , инозитозтрифосфат ИФ3,,
диацилглицерид ДАГ и монооксид азота NO.
Дальнейшая передача гормонального сигнала от вторичных мессенджеров
осуществляется с помощью протеинкиназ – ферментов, которые фосфорилируют
белки (более 100 различных белков, в том числе ряд ферментов и факторов
транскрипции). В результате фосфорилирования изменяется функциональная
активность этих белков.
Гидрофильные гормоны
действуют через
мембранные рецепторы
Гормон
(белково-пептидные гормоны,
адреналин)
Рецептор (в мембране)
Гормон
(инсулин, СТГ)
Аутофосфорили
рование
рецептора
G – белок
Эффекторный фермент
(аденилатциклаза,
фосфолипаза С, др.)
Вторичный мессенджер
(цАМФ, Са 2+, ИФ3, ДАГ)
Протеинкиназы
Фосфорилирование белков
Липофильные гормоны
действуют через
внутриклеточные рецепторы
Гормон
(стероидные гормоны,
иодтиронины)
Рецептор (внутри клетки)
Комплекс «гормон – рецептор»
G – белок
Транспорт комплекса
«гормон - рецептор» в ядро
Каскад
фосфорилирования
белков
Взаимодействие комплекса
«гормон - рецептор» с ДНК
Активация
ферментов и
факторов
транскрипции
Изменение функциональной активности белков
151
(ферментов)
Индукция или репрессия
транскрипции
Трансляция синтез белков (ферментов)
Изменение количества
белков (ферментов)
Появление в клетке вторичного посредника является пусковым моментом для
изменения метаболизма, осуществляемого обычно фосфорилированием белков. Роль
вторичных посредников могут выполнять цAMФ, цГMФ, инозитолтрифосфат,
диацилглицерин, Ca2+. Наиболее распространенным и хорошо изученным вторичным
посредником является циклический 3',5'-аденозинмонофосфат (цАМФ):
аденилатциклаза
фосфодиэстеразааза
АТФ
цАМФ
АМФ
Связывание гормона с рецептором активирует аденилатциклазу и, следовательно,
ведет к повышению внутриклеточной концентрации цAMP, что приводит к
увеличению скорости фосфорилирования белка. Наличие каскада ферментативных
реакций между связыванием гормона с рецептором и изменением метаболизма
позволяет значительно усилить первичное воздействие гормона. Таким образом,
происходит многократное усиление гормонального сигнала –амплификация: на одну
молекулу гормона образуется до 100 молекул цАМФ).
Прекращение действия гормона в данном случае достигается
разрушением
вторичного мессенджера – с помощью фосфодиэстеразы он превращается в АМФ.
Другой эффекторный фермент, находящийся в
липофильной мембране –
фосфолипаза С – гидролизует находящиеся в этой же мембране фосфолипилы –
флсфлинозитолдифосфаты, в результате чего образуюися другие вторичные
внутриклеточные посредники: гидрофильный инозитолтрифосфат и липофильный
диацилглицерид
диацилглицерид (ДАГ)
фосфолипаза С
фосфоинозитолдифосфат (ФИФ2)
инозитолтрифосфат (ИФ3)
152
гормон
1
кровь
клеточная мембрана
рецептор
аденилатциклаза
неактивная
G-белок
неактивный
цитоплазма
гормон связан
с рецептором
2
ГТФ
аденилатциклаза
неактивная
гормон-рецепторный
комплекс активирует G-белок
3
α
от активированного
G-белка отщепилась
α-субъединица
АМФ
аденилатциклаза
активная
ГТФ
АТФ
фосфодиэстераза
цАМФ
протеинкиназа А
неактивная
протеинкиназа А
активная
АТФ
протеин
153
цАМФ
цАМФ
АДФ
фосфорилирование
белков
фосфопротеин
Действие гидрофильных гормонов
через цАМФ
Гидрофильные гормоны не
1
могут проникать в клетку и
поэтому
запускают
ответную
реакцию путем присоединения к
метаботропным
рецепторам,
локализованным на плазматической мембране.
В образовавшемся комплексе
рецептор
модифицируется
гормоном и передает химический
сигнал на внутримембранный
белок-трансдуктор
(G-белок).
Он состоит из трех субъединиц (α,
β , γ ), одна из них (α) может
гидролизовать
ГТФ
и
активировать аденилатциклазу.
2
Аденилатциклаза - система
выдающейся
сложности.
Гормоны через свои рецепторы
могут как активировать, так и
ингибировать ее. Это фермент,
локализованный на внутренней
поверхности
плазматической
мембраны,
катализирует
превращение АТФ в цАМФ вторичный мессенджер.
Образовавшиеся
молекулы
цАМФ активируют в клетке
различные протеинкиназы ферменты, состоящие из 4
субъединиц: 2-регуляторные (R) и
2
–
каталитические
(C).
Свободные
каталитические
субъединицы
фосфорилируют
различные белки-ферменты с
помощью АТФ, что ведет к
изменению их каталитической
активности.
3
Прекращение действия гормонов может
осуществляться
путем
гидролиза
цАМФ с помощью фосфодиэстераз
(ингибиторы этих ферментов - кофеин,
теофиллин и др. - усиливают действие
гормонов).
Действие гидрофильных гормонов
через вторичные мессенджеры: Са2+, ИФ3, ДАГ
внеклеточный
кальций
кальмодулин
кальмодулин
Аналогичным образом через G-белки может активироваться другой эффекторный
фермент в клеточной мембране – фосфолипаза С. Этот фермент расщепляет
мембранный фосфолипид – фосфоинозитолдифосфат (ФИФ2) с образованием двух
вторичных мессенджеров: инозитол-3-фосфата (ИФ3) и диацилглицерида (ДАГ).
Гидрофильный ИФ3 мигрирует к эндоплазматическому ретикулуму и активирует
выход ионов кальция из этого депо, липофильный ДАГ остается вблизи мембраны и
активирует протеинкиназу С. Этот фермент, наряду с другими протеинкиназами,
фосфорилирует белки клетки, изменяя их функциональную активность.
Регуляторная роль ионов кальция осуществляется путем повышения
внутриклеточной (цитозольной) концентрации этого иона (от 10-100 нМ до 500-1000
нМ). Происходит это в результате:
открытия кальциевых каналов в мембране (при деполяризации мембраны или при
действии нейрорегуляторов или вторичных мессенджеров на ионотропные рецепторы);
выхода ионов кальция в цитозоль из внутренних депо (митохондрий и цистерн ЭПР)
под действием другого вторичного мессенджера – ИФ3.
Кальций взаимодействует с кальцийсвязывающими белками цитоплазмы, в
частности, с небольшим белком кальмодулином (присоединяет 4 иона кальция),
который меняет конформацию и приобретает способность активировать
протеинкиназы, регулирующих активность различных важных ферментов. За счет
активации кальмодулина, ионы Са2+ оказывают влияние не только на активность ряда
протеинкиназ, но и ионных насосов и компонентов цитоскелета.
154
Механизм действия липофильных гормонов
Липофильные гормоны стероиды (кортикостероиды,
цитоплазма
мужские и женские половые,
производные витамина Д), а
также тиреоидные гормоны,
рецептор
могут
проникать
через
липофильную
мембрану
гормонклетки-мишени в цитозоль, где
рецепторный
и находятся их рецепторы
ядро
комплекс
(рецептор
также
может
находится непосредственно в
ядре клетки). В результате
РНК-полимераза
комплементарного
взаимодействия гормона и
циторецептора
происходит
ДНК
модификация рецептора в
мРНК
транскрипция
составе гормон-рецепторного
выходит
комплекса. Это позволяет
из ядра
такому комплексу проникнуть
в ядро клетки, где он
мРНК
взаимодействует
со
специальным участком ДНК
рибосомы хроматина, что активирует
синтез функциональных белков
специфические
гены.
В
(трансляция)
результате
происходит
транскрипция мРНК, которая
выходит из ядра в цитоплазму
клетки.
Далее на рибосомах осуществляется синтез соответствующих функциональных
белков. Это могут быть как структурные белки (анаболический эффект стероидов),
так и ферменты, которые изменяют метаболизм в клетке.
Таким образом, липофильные гормоны оказывают большое влияние на рост и
дифференцировку клеток, т.е. на развитие организма. Проявление биологического
действия этих гормонов требует нескольких часов, он и отвечают за процессы
долгосрочной адаптации организма. В то же время, гормоны белково-пептидной
природы обеспечивают процессы быстрой адаптации организма, их действие
реализуется через 20-30 мин, т.к. требует срочного включения соответствующего
биохимического процесса или физиологической функции..
155
III. Гормоны гипоталамо-гипофизарной системы
ГОРМОНЫ ГИПОТАЛАМУСА
Гипоталамус - это зона головного мозга, которая регулирует активность гипофиза и
периферических эндокринных желез путем продукции специфических рилизингфакторов:
либеринов -способствующих выработке соответствующих тропных гормонов;
статинов - ингибирующих секрецию тропных гормонов гипофиза.
Хорошо изучены следующие рилизинг-факторы:
соматолиберин;
соматистатин;
тиреолиберин;
пролактостатин;
гонадолиберин;
кортиколиберин.
Рилизинг-факторы по химической структуре представляют собой полипептиды,
которые секретируются нейронами гипоталамуса и через систему портального
кровообращения поступают в аденогипофиз, где стимулируют выработку тропных
гормонов.
ГОРМОНЫ ГИПОФИЗА
В передней и средней долях - аденогипофизе вырабатываются тропные гормоны “гормоны гормонов”. Тропные гормоны реализуют свое действие путем влияния на
гормонообразование в перифирических эндокринных железах или непосредственно
влияя на обмен веществ в клетках-мишенях. Ряд этих гормонов по структуре являются
гликопротеинами, состоящими из двух белковых субъединиц и углеводного
компонента. α-Субъединица у всех этих гормонов одинакова, а β-субъединица –
различна, и именно она определяет биологическую специфичность.
Тиреотропный гормон (ТТГ) - гликопротеид, состоит из двух
субъединиц, влияет на выработку щитовидной железой гормонов
иодтронинов (см. с. 49):
стимулирует рост фолликулярных клеток щитовидной железы;
активирует метаболизм иода в щитовидной железе;
усиливает включение иода в состав тироксина;
ТТГ
активирует протеолитические ферменты, освобождающие тироксин
из тиреоиодглобулина.
Гонадотропные гормоны
- сложные белки –
гликопротеиды, влияют на гонады (см. с. 59).
Фолликулостимулирующиц гормон (ФСГ)
стимулирует выработку женских половых гормонов
ФСГ
ЛГ
эстрогенов, а также созревание фолликулов яичников у
женщин и сперматогенез у мужчин.
Лютеинизирующий гормон (ЛГ) - стимулирует
выработку прогестерона у женщин и тестостерона у
мужчин.
ХГ
Хорионический гонадотропин (ХГ) – гликопротеин.
156
Семейство проопиомеланокортина
Под действием кортиколиберина в гипофизе синтезируется полипептид из 265
аминокислот – проопиомеланокортин (ПОМК). Он является предшественником
целой группы пептидных гормонов, которые образуются в результате частичного
протеолиза молекулы ПОМК:
N-конец
1
С-конец
проопимеланокортин (ПОМК)
265
частичный протеолиз
α-МСГ
АКТГ
β-липотропин
γ-липотропин β-эндорфин β-МСГ
Адренокортикотропный гормон (АКТГ) - пептид, способствующий разрастанию
коры надпочечников, стимулируя через метаботропные рецепторы (вторичный
мессенджер - цАМФ) выработку этой железой гормонов кортикостероидов (см.с.60).
АКТГ влияет на метаболизм в клетках-мишенях:
повышает поглощение глюкозы корой надпочечников;
усиливает окисление глюкозы в ПФП с образованием НАДФН,
необходимого для синтеза холестерина – предшественника кортикостероидов;
оказывает прямое липотропное действие на жировую ткань (через цАМФ
активирует тканевые липазы);
влияет на пигментацию кожи путем стимуляции образования пигмента меланина.
Меланоцитстимулирующие гормоны (МСГ, меланотропины) – пептиды,
секретируются промежуточной долей гипофиза образуется при частичном
протеолизе ПОМК.
увеличивают количество пигментных клеток - меланоцитов;
способствуют образованию меланинов в коже, радужке и пигментном эпителии
сетчатки (повышают активность тирозиназы, участвующей в превращении тирозина в
меланины);
оказывают прямое жиромобилизирующее действие.
Липотропные гормоны (ЛТГ, липотропины)
усиливают липолиз простых жиров (через активацию аденилатциклазы стимулирует
ТАГ-липазы (гормональный эффект ЛТГ выражен слабо, важнее их роль в качестве
предшественников эндорфинов ).
Эндорфины – пептиды мозга, действующие подобно опиатам, блокируют опиатные
рецепторы нейронов нервной системы, которые отвечают за ощущения боли, голода,
жажды и пр. Они являются главным звеном противоболевой системы организма,
регулируют эмоции. Описано их участие в регуляции иммунитета и регенерации, а
также их влияние на ассоциативно - диссоциативные процессы в центральной нервной
системе.
157
Соматотропный гормон (СТГ)
- гормон роста, простой белок, начинает
вырабатываться в первой трети внутриутробного развития.
Влияние на обмен веществ в тканях-мишенях (прямое действие)
Белковый обмен
СТГ - мощный анаболик, увеличивает синтез белка в гладких и скелетных мышцах,
паренхиматозных органах;
повышает пролиферацию фибробластов путем усиления репликации (обеспечивает
включение тимина в ДНК по запасному пути);
усиливает транскрипцию ( включение урацила в РНК);
увеличивает рост мягких тканей лица и ротовой полости.
Углеводный обмен
Существенно
повышает
концентрацию
глюкозы
в
крови
(сильный
гипергликемический эффект), т.к. заставляет инсулин “работать” на белковый обмен,
при этом больше повышается проницаемость мембран для аминокислот, а не для
глюкозы
Липидный обмен
мобилизует жиры из жирового депо.
Опосредованное действие – СТГ стимулирует образование соматомединов
полипептидов, регулирующих рост.
Соматомедины А и С:
усиливают деление хрящевых клеток;
активируют синтез ДНК, РНК, белка;
способствуют включению сульфатов в синтезируемые протеогликаны.
Соматомедин С - действует подобно инсулину на жировую и мышечную ткань –
увеличивает поглощение глюкозы и тормозит липолиз.
Соматомедины В - усиливают синтез ДНК и белка в нервной ткани.
-
Гипофункция СТГ
Гипофизарный нанизм или карликовость – врожденная недостаточность
соматотропина, проявляется маленьким ростом с сохранением правильных пропорций
и нормальных умственных способностей.
Гиперфункция СТГ имеет возрастные особенности.
Гигантизм – возникает в детском возрасте, проявляется резким увеличением роста с
сохранением правильных пропорций. Часто наблюдается гипергликемия, которая
может привести к развитию сахарного диабета.
Акромегалия – возникает при опухоли гипофиза, может развиваться и при
физиологическом состоянии - беременности, проявляется непропорциональным
увеличение выступающих частей лица и мягких тканей лица и ротовой полости.
158
Пролактин - у мужчин остается в связанном состоянии в гипофизе и в норме не
секретируется. У женщин вырабатывается в период лактации, обеспечивает:
распад жира в молочной железе;
синтез козеина и лактозы.
Гипоталамические нейроны синтезируют нонапептиды, имеющие чрезвычайно
сходное строение – вазопрессин и окситоцин, которые поступают в заднюю долю
гипофиза, где хранятся в виде гранул в нервных окончаниях.
S
S
цис – тир – иле – глн – асп – цис – про – лей – гли – СО – NН2
окситоцин
S
S
цис – тир – фен – глн – асп – цис – про – арг – гли – СО – NН2
вазопрессин
Окситоцин
Активирует сокращения гладкой мускулатуры матки и сокращения клеток,
окружающих альвеолы молочной железы. Окситоцин применяется в клинической
практике для стимуляции родовой деятельности.
Вазопрессин или антидиуретический гормон (АДГ).
Клетки-мишени - клетки дистальных канальцев почек.
Влияние на обмен
тонкая регуляция водного баланса через контроль реабсорбции воды.
Секреция АДГ стимулируется:
повышением осмоляльности плазмы;
снижением объема циркулирующей крови через ренин-ангиотензиновую систему
(см. с. 63);
стрессом и тошнотой.
Гипофункция – при атрофии задней доли гипофиза возникает несахарный диабет
(несахарное мочеизнурение), характеризующееся выделением чрезвычайно больших
количеств жидкости с мочей (до 10 л в сутки). К недостаточной секреции вазопрессина
нейрогипофизом могут приводить также опухоли передней доли гипофиза.
159
IV. Гормоны щитовидной
железы
Иодтиронины входят в состав белка тироиодглобулина,
содержащегося в коллоиде фолликулов щитовидной
железы. Этот белок представляет собой запасную форму
основных гормонов фолликулярной части щитовидной
железы – тироксина и трииодтиронина.
Это единственные гормоны. содержащие иод, который
поступает в ткани в виде аниона.
фолликул
коллоид
С-клетки
капилляр
1.
Синтез иодтиронинов.
2е
Образование молекулярного иода
2I- иодидпероксидаза I2
с помощью иодидпероксидазы:
2. Иодирование остатков аминокислоты тирозина в составе тиреоиодглобулина
(посттрансляционная
модификация
белка
тироиодглобулина)
с
участием
тирозиниодиназы с образованием моно- (МИТ) и дииодтирозинов (ДИТ):
остатки
тирозина
…
…
… белок тироиодглобулин
I2
МИТ
I
…
…
тирозиниодиназа
I
I
I
ДИТ
… белок тироиодглобулин
3. Окислительная конденсация МИТ и ДИТ с
образованием
трииодтиронина
(Т3)
и
тетраиодтиронина (тироксина или Т4 ) в составе
белка тиреоглобулина.
4. Поглощение тироглобулина из коллоида
клетками эпителия и перемещение его к внешней
поверхности мембраны.
трииодтиронин
(Т3)
тетраиодтиронин
(Т4) - тироксин
5. Секреция гормонов
тироиодглобулина.
благодаря
протеолизу
160
гипоталамус
Синтез и секреция иодтиронинов регулируется
гипоталамо- гипофизарной системой: под
ТЛ
действием тиролиберина (ТР), секретируемого
гипоталамусом, вырабатывается тиротропный
гормон гипофиза (ТТГ), который стимулирует
синтез и секрецию Т3 и Т4 щитовидной железой.
гипофиз
Эти гормоны по принципу обратной связи
тормозят выработку ТЛ и ТТГ.
Транспортные формы. По химической природе
иодтиронины
гидрофобны,
поэтому
ТТГ
транспортируются
в
комплексе
с
тироксинсвязывающим
глобулином
и
альбумином. Т3 активнее в 3-5 раз, чем Т4, т.к.
меньше связан с белками плазмы. Транспортные
щитовидная
белки служат своеобразным депо, которое может
железа
обеспечить дополнительное количество гормонов.
Ткани-мишени : печень, сердце, почки, скелетные мышцы, жировая и нервная
ткани.
Биологическое действие
влияние на рост и дифференцировку тканей, на скорость основного обмена;
калоригенное действие - влияние на энергетический обмен, что выражается
внешне в повышении потребления кислорода и продуцировании теплоты (калорий).
Механизм взаимодействия этих гормонов с клеткой двоякий:
цитозольный (основной);
через активацию аденилатциклазы.
Влияние на обмен веществ
Энергетический обмен
По цитозольному механизму иодтиронины
ускоряют репликацию ДНК, активирует
транскрипцию
отдельных
генов
т.е.
иодтиронины являются индукторами синтеза
более 100 белков - ферментов (в основном
энергетического обмена), в том числе
ферментов
митохондрий
и
ферментов
челночного
транспорта
водорода
из
цитоплазмы в митохондрии.
ядро
хроматин
м-РНК
м-РНК
биоэффект
белок
При этом стимулируется рост числа митохондрий и увеличение крист в размерах для
полного размещения в них дыхательных ансамблей. Все это вызывает повышенный
расход кислорода.
Иодтиронины увеличивают и валовую продукцию энергии и теплообразование,
161усиливая окисление энергетических субстратов и стимулируя Nа, К-АТФ-азу.
Углеводный обмен
Иодтиронины - гипергликемические гормоны, обладают диабетогенными свойствами:
способствуют всасыванию глюкозы;
стимулируют гликогенолиз в печени и мышцах путем активации аденилатциклазы;
активируют глюконеогенез в печени.
Белковый обмен
Иодтиронины - яркие анаболики - способствуют включению аминокислот в
полипептидную цепь - т.е. процессу трансляции с использованием АТФ.
Внешне это проявляется пролиферацией клеток, их ростом и
дифференцировкой. На уровне целостного организма - ростом и правильным
развитием органов и тканей. Иодтиронины отвечают за правильное развитие
и рост эмбриона.
В высоких концентрациях тироксин переходит в свое отрицание - стимулирует
катаболизм белков.
Липидный обмен
Иодтиронины по аденилатциклазному механизму активируют липолиз в жировой
ткани. Тироксин стимулирует выработку адреналина и, таким образом, косвенно
также активирует мобилизацию жиров и их окисление.
Минеральный обмен
Тироксин выводит натрий из клетки.
Гиперфункция щитовидной железы
Проявляется в двух основных формах:
диффузный токсический зоб (базедова болезнь) – увеличение щитовидной железы
и повышение скорости синтеза иодтиронинов;
аутоиммунный тироидит – появление в крови иммуноглобулинов, которые
связываются с рецепторами ТТГ в щитовидной железе, имитируют его действие, т.е.
повышают синтез Т3 и Т4.
Внешне гиперфункция проявляется характерными симптомами:
увеличение щитовидной железы (зоб);
экзофтальм (пучеглазие);
тахикардия.
При гиперфункции положительные эффекты иодтиронинов переходят в свое
отрицание - усиливаются катаболические процессы:
распад углеводов;
мобилизация липидов из жировых депо и их окисление;
распад белков и усиление синтеза мочевины, что ведет к отрицательному
азотистому балансу.
Эти процессы требуют большого расхода кислорода, что приводит к увеличению
митохондрий, изменению их формы (“болезнь митохондрий”). Результатом этого
является снижение энергетических ресурсов организма. Как следствие развивается
мышечная слабость до полной неподвижности, атрофия тазового пояса.
162
Страдает также сердечная мышца - сердечно-сосудистая недостаточность проявляется
тахикардией.
Усиленное каллоригенное действие ведет к повышению температуры.
Нехватка кислорода ведет к накоплению недоокисленных метаболитов (пирувата,
альфа-кетоглутарата, кетоновых тел и др.), что токсически влияет на ЦНС.
Повышенная продукция адреналина ведет к перевозбуждению рецепторов коры, что
проявляется в сильной раздражительности, неадекватных реакциях, треморе.
Лечение - хирургические удаление или блокировка выработки тироксина с помощью
антагонистов тироксина, тормозящих синтез тиреоидных гормонов:
тиомочевина
тиоурацил
метилтиоурацил
Кроме того, снижают функцию щитовидной железы тиоцианат и вещества,
содержащие аминобензольную группу, а также микродозы иода.
Гипофункция имеет возрастные особенности.
Кретинизм
- врожденная недостаточность тироксина - характеризуется
выраженной умственной и физической отсталостью, проявляющейся отсутствием
интеллекта и карликовостью. Это объясняется нарушением роста и дифференцировки
клеток в эмбриогенезе, что ведет к замедлению роста костной ткани и нарушению
дифференцировки нервной ткани.
Микседема - развивается во взрослом возрасте, характеризуется снижением
основного обмена. Подкожная клетчатка пропитывается слизистым веществом
(накапливаются протеогликаны и вода), что проявляется как слизистый отек.
Основные симптомы гипотиреоза:
снижение температуры тела;
ухудшение памяти, эмоциональная и интеллектуальная заторможенность;
сонливость;
ожирение.
Эндемический зоб
Возникает из-за недостаточного поступления иода в организм. Проявляется
компенсаторным разрастанием щитовидной железы, однако, синтез иодтиронинов при
этом
снижен. Корректируется введением иода в составе пищи.
163
V. Гормоны поджелудочной железы
Островковый аппарат поджелудочной железы вырабатывает следующие гормоны:
глюкагон - в α-клетках;
инсулин - в β клетках;
соматостатин - в D-клетках -(здесь его концентрация выше, чем в гипоталамусе)
подавляет секрецию гормона роста;
участвует в локальной регуляции инсулина и глюкагона;
панкреатический полипептид - в F-клетках - влияет на желудочно-кишечную
секрецию.
глюкагон
пептид
из 29
аминокислот
место синтеза
гликоген
глюкоза
α-клетки
поджелудочной
железы
аминокислоты
жиры
жирные
кислоты
кетоновые
тела
гликогенолиз
глюконеогенез
уровень глюкозы
кетогенез
в кровь
Глюкагон - одноцепочечный полипептид, состоит из 29 аминокислот, вырабатывается в
виде проглюкагона (37аминокислот), активируется частичным протеолизом,
секреция стимулируется ионами кальция и аминокислотами, ингибируется глюкозой и
соматостатином. Полупериод жизни глюкагона равен 5 мин, распадается в печени
(концентрация его в крови воротной вены выше, чем в периферической).
Ткани-мишени: печень, жировая ткань, миокард.
Влияние на обмен веществ
Углеводный обмен. Глюкагон - гипергликемический гормон (обладает
диабетогенным свойством) - повышает уровень глюкозы в крови:
в печени по аденилатциклазному механизму стимулирует гликогенфосфорилазу
(усиливает распад гликогена) и одновременно ингибирует гликогенсинтазу (тормозит
синтез гликогена), в результате образуется глюкозо-6-фосфат, который превращается в
глюкозу под действием глюкозо-6-фосфатазы (активируется глюкагоном) и свободная
глюкоза выходит в кровь.
глюкагон - наиболее активный стимулятор глюконеогенеза путем активации
основного фермента глюконеогенеза - фосфоенолпируваткарбоксикиназы (ФЕПКК).
Глюкагон через цАМФ повышает скорость транскрипции гена ФЕПКК.
Жировой обмен. Глюкагон - мощный липолитический агент. Через цАМФ
стимулирует гормончувствительную липазу жировой ткани, усиливая таким образом
распад жира до глицерина и ВЖК. Жирные кислоты далее используются в качестве
источников энергии или превращаются в кетоновые тела.
164
место синтеза
инсулин
простой белок
из 51
аминокислоты
β-клетки
поджелудочной
железы
потребление
глюкозы клетками
гликолиз
глюконеогенез
кетогенез
уровень глюкозы
запасные вещества:
биосинтез
деградация
клетка
глюкоза
гликоген
белки
жиры
глюкоза
аминокислоты
жирные
кислоты
Инсулин – это простой белок, состоящий их двух цепей: А (21 аминокислота) и В (30
аминокислот), связанных между собой двумя дисульфидными мостиками, третий S S
мостик находится в А-цепи.
Вырабатывается в виде проинсулина, состоящего из одной полипептидной цепи (84
аминокислотных остатка), активируется частичным протеолизом. Это гормон
избытка – он вырабатывается после приема пищи, таким образом поддерживая
постоянство веса.
Период полураспада - 8-25 мин. Деградация в печени.
Цепь В
Цепь А
S
S
S
S
частичный протеолиз
проинсулин
( 1 полипептидная цепь
из 84 аминокислотных
остатков )
S
S
инсулин
2 полипептидные цепи:
(А – 21, В - 30 аминокислотных остатков)
Синтез и секреция инсулина регулируется уровнем глюкозы в крови. Глюкоза является
основным энергетическим субстратом. Источниками глюкозы для организма служат
углеводы пищи и эндогенное производство глюкозы (главным образом, печенью) путем
гликогенолиза (распада гликогена) и глюконеогенеза (синтеза глюкозы из неуглеводов).
Концентрация глюкозы в крови зависит от соотношения выброса ее в кровоток и
утилизации тканями.
Концентрация глюкозы в норме жестко регулируется и у здоровых людей редко падает
ниже 2,5 ммоль/л или превышает 8,0 ммоль/л независимо от режима питания. В норме
концентрация глюкозы в крови составляет 3,3 -5,5 ммоль/л.
Ткани-мишени: жировая ткань, скелетные мышцы, печень.
Инсулин находится в двух формах:
свободный инсулин - атакует все ткани-мишени;
связанный (с белками) - действует только на жировую ткань.
165
Влияние инсулина на обмен веществ
Углеводный обмен.
Инсулин - единственный гипогликемический гормон, который снижает
концентрацию глюкозы в крови следующими путями:
повышает проницаемость клеточных мембран для глюкозы в жировой ткани и
скелетных мышцах;
повышает проницаемость клеточной мембраны для ионов кальция;
повышает активность фосфодиэстеразы, которая расщепляет цАМФ, благодаря
чему снижается распад гликогена;
стимулирует синтез гликогена путем активации гликогенсинтазы;
повышает активность основных ферментов гликолиза - гексокиназы (снимает с нее
ингибирующий комплекс глюкокортикоидов), глюкокиназы, фосфофруктокиназы,
пируваткиназы;
повышает активность ферментов, участвующих в окислении глюкозы до конечных
продуктов (ЦТК): пируват- и альфа-кетоглутаратдегидрогеназных комплексов,
цитратсинтазы, изоцитратдегидрогеназы;
увеличивает скорость прямого окисления глюкозы - пентозо-фосфатного пути
через активацию глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы;
ингибирует ферменты глюконеогенеза, таким образом препятствует накоплению
глюкозы (в результате избирательного ингибирования транскрипции гена,
кодирующего мРНК для основного фермента глюконеогенеза - фосфоенолпируваткарбоксикиназы – ФЕПКК).
Инсулин активирует все процессы утилизации глюкозы,
способствует превращению ее в жиры
или в конечные продукты с выделением энергии.
Жировой обмен
Инсулин противостоит большинству гормонов, т.к. активирует синтез жира:
повышает активность липопротеинлипазы, которая расщепляет хиломикроны, что
способствует поступлению ресинтезированных в кишечнике жиров в жировую ткань;
поддерживает нормальный уровень регуляторного фермента синтеза ВЖК - ацетилКоА-карбоксилазы, катализирующего превращение ацетил-КоА в малонил-КоА,
который «запускает» синтез ВЖК;
активируют синтез ВЖК (через усиление образования ацетил-КоА и НАДФН2 при
прямом и непрямом окислении глюкозы);
усиливает синтез ТАГ из ВЖК и глицерина, которые образуются из глюкозы ;
снижает активность гормончувствительной липазы жировой ткани, благодаря чему
жир задерживается в депо.
Инсулин стимулирует накопление жиров в жировой ткани,
сохраняя запасы жира и активируя анаболический процесс липогенеза.
166
Белковый обмен
Инсулин - сильный анаболик, способствует синтезу белка на всех стадиях:
повышает проницаемость клеточных мембран для аминокислот;
тормозя глюконеогенез, «сохраняет» аминокислоты для биосинтеза белка;
усиливает репликацию, способствует транскрипции, активирует трансляцию.
Инсулин усиливает рост и дифференцировку клеток,
обеспечивает положительный азотистый баланс.
концентрация глюкозы в крови, мг/мл
Гиперфункция – инсулома – характеризуется повыщенной продукцией инсулина,
при этом наблюдается гипогликемия.
Гипофункция - сахарный диабет
ИЗСД – инсулинзависимый сахарный диабет (диабет I типа ) - это заболевание,
связанное с разрушением β-клеток островков поджелудочной железы. Полный дефицит
инсулина при ИЗСД приводит к гипергликемии и глюкозурии, а также к другим
тяжелым метаболическим нарушениям, поэтому у больных, не получающих нужное
количество инсулина, неминуемо развивается диабетический кетоацидоз.
ИЗСД
норма
время в час
Тест толерантности к глюкозе
(метод
«сахарной
нагрузки»)
используется для дифференциальной
диагностики гипергликемий.
В норме после сахарной нагрузки
(приема
раствора
глюкозы)
концентрация глюкозы в крови
максимальна через час, затем (через
два
часа
обследования)
под
действием инсулина концентрация
глюкозы падает даже ниже исходного
уровня (натощак), а далее под
влиянием глюкагона возвращается в
исходное состояние.
Как правило, ИЗСД поражает детей, подростков и молодых людей (ювенильный
диабет), но он может начинаться в любом возрасте. Современное название болезни инсулинозависимый сахарный диабет - указывает на пожизненную потребность
больных в лекарственном препарате - инсулине.
Основные биохимические признаки дисфункции β-клеток:
гипергликемия натощак;
глюкозурия;
кетонурия;
повышение концентрации гликозилированного гемоглобина в крови;
отсутствие или низкий уровень С-пептида в крови или моче.
167
дефицит
инсулина
белковый
обмен
углеводный
обмен
липидный
обмен
усиление
катаболизма белков
понижение проникновения
глюкозы в клетки
усиление
мобилизации жиров
снижение утилизации глюкозы
уменьшение транспорта
аминокислот в мышцы
усиление окисления ВЖК
усиление глюконеогенеза
кетонемия
гипергликемия
снижение
синтеза белка
отрицательный
азотистый баланс
глюкозурия
осмотический диурез
кетонурия
метаболический кетоацидоз
полиурия
задержка роста
жажда
потеря натрия
дегидратация тканей
понижение артериального давления
гипоксия
ИНСД – инсулиннезависимый сахарный диабет (II типа) - это общее название
нескольких
заболеваний,
обусловленных
инсулинрезистентностью
и
относительным дефицитом инсулина. Как правило, ИНСД поражает людей старше
40 лет. При этом функция β-клеток частично или полностью сохранена, поэтому
большинство больных не нуждается в инсулинотерапии. У 80% больных отмечается
ожирение, т.к. преобладает связанная форма инсулина, которая атакует жировую ткань,
способствуя превращению глюкозы в жиры.
По течению ИНСД существенно отличается от ИЗСД : проявления ИНСД нарастают
медленно и постепенно; осложнения развиваются позже и среди них преобладают
поражения крупных сосудов.
168
VI. Гормоны мозгового вещества надпочечников
Мозговое вещество надпочечников продуцирует гормоны адреналин и норадреналин.
тирозин
диоксифенилаланин
Адреналин и норадреналин
синтезируются из
аминокислот - фенилаланина и тирозина и
накапливаются в виде секреторных гранул в
хромаффинных клетках.
Источником метильных групп в синтезе адреналина
является метионин, переносят их коферментные формы
витамина В12 и фолиевой кислоты.
Биологической активностью обладают катехоламины:
дофамин, адреналин и норадреналин.
Эти гормоны секретируются в ответ на гипогликемию
или на стресс.
адреналин
производное
аминокислот
место синтеза
мозговое
вещество
надпочечников
дофамин
норадреналин
адреналин
работоспособность сердца
просвет кровеносных сосудов
сердце
кровяное давление
Метаболический эффект:
печень
гликогенолиз
жировая
мышцы
ткань
уровень глюкозы в крови
липолиз
Ткани-мишени: жировая ткань, скелетные мышцы, сердце и печень.
Влияние на обмен веществ.
Углеводный обмен. Адреналин - гипергликемический гормон, действует через
ц-АМФ (как и глюкагон) и обеспечивает срочную мобилизацию гликогена в печени и
мышцах при физической работе и стрессе (активирует распад гликогена, стимулируя
гликогенфосфорилазу и тормозит синтез гликогена, ингибируя гликогенсинтазу).
Липидный обмен. В жировой ткани адреналин стимулирует липолиз путем
активации тканевых ТАГ-липаз по аденилатциклазному механизму. Это приводит к
повышению уровня жирных кислот и глицерина в крови. Свободные ВЖК поступают
в сердечную мышцу и служат источником энергии.
Физиологические эффекты
Адреналин и норадреналин сужают кровеносные сосуды, повышают кровяное
давление, адреналин увеличивает силу и частоту сердечных сокращений, расслабляет
169гладкие мышцы кишечника, бронхов, матки.
VII. Стероидные гормоны
Общим
предшественником
всех стероидных гормонов
является холестерин, который
поступает
в
гормонсинтезирующие клетки из
разных источников в составе
ЛПНП или синтезируется в
этих клетках из ацетил-КоА.
C27
Гормоны коры надпочечников
Глюкокортикоиды
С21
(кортизол, кортизон, кортикостерон)
Минералокортикоиды С21
(альдостерон)
Половые гормоны
Мужские половые гормоны –
андрогены С19 (тестостерон)
Женские половые гормоны
эстрогены С18 , прогестерон С21
кальцитриол
холестерин
прегненолон
кортизол
прогестерон
альдостерон
C21
Синтез стероидных гормонов
В процессе синтеза стероидных
C19
гормонов образуется более 40
стероидных
метаболитов,
отличающихся по структуре и
биологической активности, наиболее
важными являются прогестерон, C18
кортизол, альдостерон, тестостерон и
эстрадиол, а также кальцитриол.
тестостерон
эстрадиол
Приведенные
на схеме
стероиды
объединены в
подгруппы
по числу
углеродных
атомов.
На первом этапе синтеза путем отщепления от молекулы холестерина боковой 6углеродной цепи образуется прегненолон – непосредственный 21-углеродный
предшественник всех стероидных гормонов. Каким именно гормоном окажется
конечный стероид, зависит от набора ферментных систем в данной клетке.
Биосинтез каждого из них состоит из множества последовательных ферментативных
реакций, причем, каждый из стероидных гормонов может образоваться более, чем
одним путем, т.е. пути синтеза этих гормонов образуют сложную сетку реакций.
Важнейшими реакциями, определяющими образование отдельных групп стероидов,
являются реакции гидроксилирования в положениях 11, 17, 21, протекающие при
участии специфических гидроксилаз.
170
Нарушение реакций гидроксилирования в синтезе стероидных гормонов может
изменить соотношение различных групп стероидов и привести к развитию
патологических состояний. Так, адрено-генитальный синдром (врожденная
дисфункция коры надпочечников) проявляется преждевременным половым
созреванием мальчиков и развитием вторичных половых признаков у девочек. При
указанной патологии определяется дефект 21-гидроксилазы (реже - 11-гидроксилазы).
Катаболизм стероидных гормонов
Распад стероидных гормонов происходит прежде всего в печени. В результате их
катаболизма образуются стероиды, содержащие кето-группу в 17-м положении,
получившие название 17-кетостероиды (17-КС), которые выводятся в составе мочи
через почки (в виде конъюгатов с серной или глюкуроновой кислотой).
Определение ГК в моче имеет диагностическое значение.
Норма:
7-12 мг/сут. моче - для женщин;
12-17 -----------,---- - для мужчин.
Повышение 17-КС: при опухоли семенников;
опухоли надпочечников;
Понижение 17-КС: при евнухоизме;
.
гипофункции аденогипофиза;
аддисоновой болезни;
микседеме.
глюкоза
К+
Na+
Кора
надпочечников
секретирует
гормоны, которые регулируют все виды
обмена
веществ
(углеводный,
липидный, белковый, водно-солевой),
а также способствуют нормальному
функционированию
других
желез
внутренней секреции.
171
Гормоны коры надпочечников
(кортикостероиды)
КС
C21
Минералокортикоиды
Основным
минералокортикоидом
является
альдостерон
C21
Глюкокортикоиды
Основным
глюкокортикоидом
является
кортизол
глюкоза
стресс
Глюкокортикоиды
травма
Основные глюкокортикоиды (ГК):
кортизол, кортизон, кортикостерон.
гипоталамус
КЛ
гипофиз
АКТГ
кортизол
(ГК)
надпочечники
Образованию глюкокортикоидов (ГК) предшествует
целая цепь событий:
в ответ на стресс, понижение уровня глюкозы в крови,
травму, в гипоталамусе секретируется рилизинг-фактор
кортикотропинлиберин (КЛ);
кортиколиберин действует на гипофиз и стимулирует
выработку адренокортикотропного гормона (АКТГ);
АКТГ, как тропный гормон, с током крови поступает к
надпочечникам
и
активирует
выработку
корой
надпочечников
глюкокортикоидов,
в
частности,
кортизола;
кортизол поступает в кровь и по принципу обратной
отрицательной связи ингибирует выработку как
кортиколиберина
гипоталамусом,
так
и
адренокортикотропного гормона гипофизом.
Регуляция
секреции кортизола
ЛПНП
клеточная мембрана
АКТГ
кортизол
АКТГ, являясь гормоном
пептидной
природы,
не
проходит внутрь клетки, а
взаимодействует с рецептором
(R) на поверхности клеточной
мембраны, который через Gбелок и аденилатциклазу
активирует
протеинкиназу
(ПК). Этот фермент переводит
в активное состояние:
холестеролэстеразу
фермент, который освобождает
холестерин (ХС) из его эфиров
(ЭХС);
ферменты
синтеза
кортизола из
холестерина.
липидная
капля
R
рецептор
G
ЛПНП
аденилатциклаза
АТФ
ЭХС
холестеролэстераза
цАМФ
ПК
ХС
эндоплазматический
ретикулум
ХС
прогестерон
11-дезоксикортизол
прегненолон
митохондрия
кортизол
172
Глюкокортикоиды вырабатываются при
снижении
концентрации глюкозы в крови,
поэтому в течение суток их секреция ритмично
меняется. Обычно максимальная выработка
кортизола наблюдается в утренние часы, т.е. в
постабсорбтивный период, когда внутренние
резервы глюкозы снижены..
ГК транспортируются кровью в комплексе с
альфа-2-глобулином - транскортином.
Ткани-мишени: печень, почки, лимфоидная
ткань (селезенка, лимфоузлы, лимфоциты,
время суток
тимус), соединительная ткань, скелетные
Суточный ритм секреции кортизола
мышцы.
Влияние глюкокортикоидов на обмен веществ
Углеводный обмен
ГК повышают концентрацию глюкозы в крови, т.к. индуцируют синтез ферментов
глюконеогенеза (пируваткарбоксилазу, фосфоенолпируваткарбокси-киназу (ФЕПКК),
глюкозо-6-фосфатазу, фруктозо-1,6-бисфосфатазу), а также тирозинаминотрансферазу
и другие трансаминазы в печени, корковом слое почек и клетках кишечника.
мкг/100мл
сон
ГК стимулируют синтез гликогена в печени, но тормозит этот процесс в мышцах.
ГК усиливают синтез адреналина, что активирует липолиз и , следовательно,
повышают концентрацию глицерина, который используется в глюконеогенезе.
ГК входят в состав бета-липопротеинового комплекса, ингибирующего гексокиназу.
Белковый обмен
В печени ГК стимулируют синтез белков - ферментов глюконеогенеза;
В лимфоидной ткани ГК активируют распад белков и лизис лимфацитов
(катаболический эффект), что приводит к уменьшению образования антител;
В мышцах и других тканях ГК сильно тормозят синтез белков;
В соединительной ткани тормозят синтез коллагена.
Угнетение синтеза белка способствует
повышению концентрации свободных
аминокислот и их использованию в синтезе глюкозы.
Липидный обмен
ГК посредством активации синтеза адреналина усиливают липолиз, и, следовательно,
концентрацию глицерина и ВЖК в крови, т.е. вызывают кетонемию и ацидоз.
Водно-минеральный обмен
ГК повышают реабсорбцию ионов натрия и выделение калия (как и
минералокортикоиды, только слабее). Из-за торможения синтеза белков в костной
ткани происходит рассасывание отдельных участков и вымывание кальция и фосфора.
Практическое применение ГК
ГК и их синтетические аналоги широко применяются при аллергических и
аутоиммунных заболеваниях (ревматизме, бронхиальной астме, артритах и др.) как
173десенсибилизирующие, противовоспалительные и иммунодепрессивные средства.
Минералокортикоиды
фильтрат
Альдостерон транспортируется с кровью в комплексе с альбуминами.
Ткани-мишени: - клетки эпителия дистальных канальцев почек, содержащие
соответствующие циторецепторы.
Механизм действия.
Альдостерон, как липофильный
альдостерон
гормон, проникает в цитоплазму
клеток, связывается с цитозольным
ядро
рецептором
и
ГР-комплекс
проникает в ядро, активирует
хроматин
рецептор
транскрипцию генов, несущих
информацию о структуре белков,
м-РНК
участвующих в транспорте ионов
ЦТК
натрия через клеточные мембраны.
Таким образом,
усиливается
АТФ
белок
насос
реабсорбция натрия и хлора из
+
+
Na+
Na
Na
АДФ
мочи в межклеточную жидкость и
далее в кровь, в результате чего
кровь
натрий задерживается в организме.
Одновременно идет потеря калия
(в обмен на натрий).
Выработку альдостерона контролируют ренин-ангиотензиновая система (каскад
реакций частичного протеолиза), а также АКТГ, простагландин Е и снижение
концентрации Na+ .
РЕНИН-АНГИОТЕНЗИНОВАЯ СИСТЕМА:
Уменьшение объема
циркулирующей крови
увеличение
объема
циркулирующей
крови
Стеноз
почечной артерии
Уменьшение перфузионного
давления в почках
Выделение ренина
ангиотензиноген I
α-глобулин,
синтезируется в печени
ренин - протеолитический фермент,
синтезируется в юкстагломерулярных
клетках почек при снижении кровяного
давления
ангиотензин I
ангиотензинпревращающий фермент
ангиотензин II
жажда
выделение вазопрессина
задержка воды
выделение альдостерона
задержка Nа+
сужение сосудов
174
Нарушение гормональной функции надпочечников
Гипокортицизм - дефицит всех КС и смешанные изменения метаболизма.
Снижение выработки кортизола и/или альдостерона наблюдается при многих болезнях
гипоталамуса и гипофиза: дефиците кортикотропина (АКТГ) и кортиколиберина (КЛ),
первичной гипоплазии надпочечников, наследственных дефектах биосинтеза гормонов,
разрушении
кортикального
слоя
(туберкулез),
аутоиммунных
процессах,
кровоизлияниях, острых инфекциях.
Аддиссонова болезнь ("бронзовая болезнь") - наиболее частая форма
гипокортицизма. Недостаток ГК ведет к гипогликемии и снижению устойчивости
организма к стрессам. Сильно нарушается водно-минеральный обмен из-за нехватки
альдостерона, происходит потеря организмом натрия и воды и накопление калия.
Симптоматика складывается из мышечной слабости (до полного бессилия), т.к.
снижается возбудимость мышц из-за нарушения калий-натриевого градиента на
мембране, анорексии, потери веса, низкого артериального давления, а также
гиперпигментации кожи, часто патологической потребности в соли при дефиците
минералокортикоидов, желудочно-кишечными расстройствами.
Наследственные формы глюкокортикоидной недостаточности отличаются от
приобретенных форм сохранностью минералокортикоидных функций.
Гиперкортицизм - повышенная секреция как всех КС, так и какой-либо группы КС.
Кортикостерома - опухоль надпочечников (усиленный синтез кортизола);
Болезнь Иценко-Кушинга - поражение гипоталамо-гипофизарной системы
(усиленный синтез АКТГ). Может также возникать при длительном применении
высоких доз кортикостероидных препаратов.
Избыток кортизола приводит к серьезному нарушению метаболизма, вызывая
гиперглюконеогенез, т.е. чрезмерное превращение белков в углеводы. Это состояние
характеризуется потерей мышечной массы, сниженной углеводной толерантностью, т.е.
сниженным поступление глюкозы из крови в ткани (что проявляется аномальным
увеличением концентрации сахара в крови при его поступлении с пищей). Это
стимулирует синтез инсулина и ,значит, утилизацию глюкозы тканями, что ведет к
ожирению. Характерно «лунообразное лицо», кожные стрии, истончение конечностей.
В дальнейшем может развиться и
сахарный диабет (“стероидный диабет”)
с кетонемией и кетонурией. Наблюдается
атрофия
подкожной
соединительной
ткани,
остеопороз
(деминерализация
костной ткани), тяжелая гипертония (за
счет адреналина и альдостерона).
Синдром Конна (альдостеронизм)- избыточная секреция преимущественно
альдостерона, в результате чего усиленно задерживается NаСl и повышается
осмотическое давление внеклеточной жидкости. Это сигнал к освобождению
вазопрессина, который увеличивает реабсорбцию воды в почках. Симптоматика
175
проявляется отеками, повышенной возбудимостью миокарда, гипертонией.
Мужские половые гормоны
C19
Мужские половые гормоны - андрогены :
тестостерон, андростерон, дигидротестостерон.
Андрогены синтезируются в семенниках, а
также частично в надпочечниках. яичниках и
плаценте. Их синтез находится под
контролем гонадотропных гормонов гипофиза
–
лютеинизирующего
(ЛГ)
и
фолликулостимулирующего
(ФСГ)
гормонов, которые вырабатываются под
действием рилизинг-фактора гипоталамуса –
гонадолиберина (ГЛ) . ФСГ
стимулирует
сперматогенез
в
семенниках,
а
ЛГ
способствует выработке тестостерона этой
железой.
гипоталамус
ГЛ
гипофиз
ФСГ
сперматогенез
тестостерон
ЛГ
семенники
надпочечники
яичники
плацента
тестостерон
Концентрация тестостерона
находится под контролем
отрицательной
обратной
связи:
повышенные
количества этого гормона
вызывают
снижение
выработки гонадотропинов –
ФСГ и ЛГ.
Андрогены транспортируются по крови в виде комплекса с гликопротеином тестостеронсвязующим глобулином.
Как стероидные гормоны, действуют по цитозольному механизму на хроматин
клеток-мишеней, стимулируя экспрессию генов, т.е. синтез соответствующих белков.
Андрогены обеспечивают: - увеличение мышечной массы;
- развитие половых органов;
- половое созревание в пубертатном возрасте;
- развитие вторичных половых признаков;
- стимуляцию сперматогенеза;
- половую дифференцировку гипоталямуса в
эмбриогенезе;
- развитие и минерализацию эпифизов костей;
- развитие мозга и памяти;
- поведенческие реакции.
176
Влияние андрогенов на обмен веществ
Белковый обмен
активируют синтез ДНК;
способствуют транскрипции специфических генов;
усиливают трансляцию.
В результате резко увеличивают биосинтез белков (анаболический эффект значительно
выше, чем у эстрогенов), способствуют положительному азотистому балансу.
Углеводный и липидный обмены
посредством стимуляции синтеза катаболических белков-ферментов вторично
усиливают мобилизацию энергетических резервов из депо (внутриклеточный липолиз,
аэробное сгорание углеводов и ВЖК), что обеспечивает энергией биосинтез белков;
активируют синтез структурных фосфоглицеридов и полисахаридов.
Концентрация тестостерона в сыворотке крови циклично меняется в течение суток.
Максимальна от 7 до 9 часов утра, минимальна от 24 до 3 час ночи.
Избыточная секреция андрогенов опухолями надпочечника приводит к
маскулинизации. Опухоли надпочечника могут вырабатывать также эстрогены,
особенно у мужчин, приводя к феминизации.
Гипофункция - евнухоидизм - недоразвитие половых органов и вторичных половых
признаков, удлинение конечностей, атрофия скелетной мускулатуры, чрезмерное
отложение жира, нарушение корковых процессов торможения.
177
Синтетические
аналоги
андрогенов
стероидные анаболики - нероболил, ретаболил
и др. обладают анаболической активностью на
порядок
выше,
чем
у
тестостерона.
Используются
при
истощении,
анемии,
недостатке роста, отрицательном азотистом
балансе.
Введение в организм анаболических стероидов,
являющихся аналогами природных гормонов,
приводит к повышенной концентрации этих
гормонов в крови.
По принципу обратной связи экзогенные
гормоны
воздействуют
на
гипоталамогипофизарную систему, давая той сигнал о
прекращении выработки своих, эндогенных
гормонов. Поэтому большинство негативных
эффектов
после
окончания
приема
анаболических стероидов возникают именно изза того, что организм уже не в состоянии
продуцировать андрогены самостоятельно.
Женские половые гормоны
Выделяют две группы женских половых гормонов,
отличающихся по структуре и биологической
функции: эстрогены (эстрадиол) и прогестины
(прогестерон).
C21
C18
эстрадиол
прогестерон
Женские половые гормоны синтезируются в яичниках и желтом теле, а также в
надпочечниках, семенниках и плаценте.
Секреция гонадотропинов задает тон циклическим процессам в организме
женщины. Яичниковый (овариальный) цикл имеет три фазы:
1 - фолликулиновая фаза (13-14 дней):
под
гипоталамус
действием фоллитропина (ФСГ) начинается рост
и созревание фолликула яичника. Его клетки
продуцируют
эстрогены: эстрадиол, который
ГЛ
превращается в эстрон и эстриол.
Выделение в кровь эстрогенов угнетает
секрецию ФСГ (обратная отрицательная связь) и
стимулирует выработку гипофизом лютропина ЛГ
(обратная положительная связь).
Происходит овуляция, на месте разорвавшегося
фолликула образуется желтое тело, а яйцеклетка
гипофиз
продвигается к слизистой матки. Это окончание
фолликулиновой
фазы
(высокий
уровень
эстрогенов и низкий уровень прогестинов).
2 - лютеиновая фаза (9-10 дней): желтое тело
под действием лютеинизирующего гормона (ЛГ)
ФСГ
ЛГ
секретирует прогестерон, который подготавливает
эндометрий к имплантации яйцеклетки. Если не
произошло оплодотворение, то желтое тело
дегенерирует и следует окончание второй фазы
фолликул
желтое тело
(высокий уровень прогестерона и низкий эстрогенов).
3 - инволюция желтого тела (3-4дня) эстрогены
прогестерон
отсутствие секреции эстрогенов и прогестерона
Биологическая роль женских половых гормонов
Эстрогены обеспечивают: развитие женских половых органов;
формирование вторичных половых признаков;
регуляция пролиферации эндометрия;
формирование психического статуса женщины;
протекание беременности и родов;
развитие молочных желез и подготовка их к лактации. 178
торможение сокращения матки и маточных труб;
подготовку эндометрия к имплантации
оплодотворенной яйцеклетки;
развитие матки, формирование родовых путей;
разрастание молочных ходов и лактацию;
снижение сексуальной реактивности.
Механизм действия женских половых гормонов – цитозольный.
Влияние на обмен веществ
Белковый обмен. Как липофильные стероиды, женские половые гормоны, влияют
на активность специфических генов в хромосомах и индуцируют синтез
специфических белков. Яркие анаболики, обеспечивающие положительный азотистый
баланс. Обеспечивают синтез коллагена, усиливают минерализацию костей.
Углеводный обмен.
Являясь индукторами белков - ферментов, стимулируют
гликолиз и пентозо-фосфатный путь. При этом организм получает энергию для
анаболических процессов и фосфопентозы для синтеза нуклеиновых кислот, что
необходимо для биосинтеза белка.
Липидный обмен.
Способствуют быстрому обновлению липидов,
препятствуют
накоплению
жиров
в
печени
и
жировой
ткани,
способствуют выведению холестерина из организма (риск развития атеросклероза у
женщин репродуктивного возраста ниже, чем у мужчин).
С помощью химического синтеза получают
вещества, не идентичные гормонам, но
обладающие свойством связываться с
эстриол
рецепторами.
Синтетические
лиганды,
вызывающие тот же эффект, что и
природные
гормоны,
называются
ХГ
агонистами
гормонов.
Например,
прегнандиол
синтетическим путем получены оральные
контрацептивы, агонисты эстрогенов и
прогестерона.
Лиганды,
которые
связываются с рецептором, но не вызывают
биологического эффекта, носят название
срок беременности, дни
антагонистов, т. е. антагонисты блокируют Хорионический гонадотропин (ХГ) действие
эндогенных
гормонов.
гормон плаценты человека.
Антагонисты гормонов находят применение Эмбрион секретирует ХГ, благодаря которому
в терапии опухолей. Для того чтобы сохраняется желтое тело: вырабатываемые им
оценить, является ли данная опухоль эстрадиол и прогестерон поддерживают
гормонозависимой и будет ли она целость эндометрия. После имплантации
чувствительна к действию антагонистов, зародыша начинает развиваться плацента,
необходимо на пробе ткани определить продолжающая секретировать ХГ, который
достигает
наибольшей
концентрации
уровень
экспрессии
гормональных примерно на втором месяце беременности.
рецепторов.
Определение концентрации ХГ в крови и моче
Прогестерон
(гормон беременности)
обеспечивает:
179
лежит в основе тестов на беременность.
VIII. Гормональная регуляция обмена кальция
Кальций является важнейщим химическим элементом для организма человека,
выполняющим многообразные функции:
структурную – входит в состав костей, зубов;
нейромышечную – инициирует мышечное сокращение, обеспечивает контроль
возбудимости;
ферментативную – является кофактором многих ферментов;
сигнальную – является внутриклеточным вторичным мессенджером;
участвует в свертывающей системе крови
регулирует проницаемость клеточных мембран.
Организм взрослого человека содержит около 1 кг кальция, из которых 99% входит в
состав скелета. Внеклеточная жидкость содержит около 20 ммоль кальция, из которых
почти половина – в плазме крови.
Концентрация кальция в плазме крови является важной гомеостатической
констатной: 2,25 – 2,85 ммоль/л. Кальций в плазме крови находится в виде трех
основных форм:
ионизированный кальций
связанный с белками (сывороточными альбуминами)
в виде солей с анионами органических и неорганических кислот
остеоциты
Гомеостаз кальция определяется функционированием
следующих анатомо-физиологических систем.
остео- Костная ткань – резервуар кальция - не инертна в
бласты метаболическом отношении, между нею и внеклеточной
жидкостью происходит активный обмен кальцием.
Благодаря деятельности остеобластов образуется новая
костная ткань, происходит минерализация остеоида (1);
остеокласты
остеокласты участвуют в резорбции кости, т.е.
обеспечивают выход кальция в кровь (2).
кости
1
5
2
6
3
4
Почки, в клубочках которых
происходит
фильтрация
ионов
кальция (3), но большая часть этих
ионов затем реабсорбируется в
почечных канальцах (4).
Са2+
кровь
Тонкий кишечник, в верхних
отделах которого происходит
всасывание
(5)
пищевого
кальция. Кальций, входящий в
состав секретов желудочнокишечного тракта, частично
реабсорбируется (6) вместе с
пищевым кальцием.
180
Постоянная концентрация кальция в крови поддерживается в узких пределах
благодаря гормональному контролю.
Паратиреоидный гормон
Паратгормон
(паратиреоидный гормон) вырабатывается в С-клетках
паращитовидной железы в ответ на снижение концентрации ионов кальция в плазме
крови. Одноцепочечный полипептид (84 аминокислоты), образуется из прогормона
путем частичного протеолиза. Деградация в печени через 30 мин.
Влияние на обмен - повышает концентрацию кальция в крови и снижает
концентрацию фосфора.
Механизм действия - мембранно-внутриклеточный.
Ткани-мишени: кости, почки, кишечник.
Костная ткань:
снижает синтез коллагена в остеобластах;
повышает активность остеокластов, что приводит к резорбции кости и выходу
кальция в кровь;
через ц-АМФ ингибирует активность изоцитратдегидрогеназы (фермент ЦТК), что
ведет к накоплению изоцитрата и цитрата, которые связывают кальций и выводят его в
кровь;
усиливают накопление лактата, что также выводит кальций из кости.
Почки
повышает реабсорбцию кальция и выведение фосфора, сохраняя кальций для
организма;
стимулирует выработку 1,25 холекальциферола - активного витамина Д
Кишечник
опосредовано стимулирует всасывание кальция в кровь через активацию синтеза
кальцитриола, (который непосредственно активирует всасывание кальция).
Паратгормон повышает концентрацию кальция в крови
Гипопаратиреоз
Может развиться в результате ошибочного удаления паращитовидных желез при
операции на щитовидной железе. В крови резко снижается концентрация кальция и
возрастает концентрация фосфора. Ощущение онемелости конечностей, многие
мышцы вовлекаются в тетанические судорожные сокращения (от фибриллярных
подергиваний до сильных судорог). Характерны спазмы гортани.
Гиперпаратиреоз - болезнь Реклингаузена
Развивается при гормонально активных опухолях паращитовидных желез. При этом
повышается концентрация кальция в крови и снижается концентрация фосфора,
фосфатурия. Резкое поражение костной ткани, остеопороз - деминирализация костей
(до нарушения матрикса костной ткани, т.к. нарушен синтез коллагена). Кальций
накапливается в почках, развивается мочекаменная болезнь (оксалаты кальция).
181
Кальцитриол
Кальцитриол - 1,25 диоксихолекальциферол - 1,25(ОН)2D3
- активная форма
жирорастворимого витамина D3 (холекальциферола), который может как поступать с
продуктами животного происхождения (экзогенный витамин), так и синтезироваться в
организме человека из холестерина .
холестерин
Ткань-мишень: кишечник
Механизм взаимодействия с клеткой –
7-дегидрохолестерин
цитозольный.
Как
стероидный
УФ-свет кожа
липофильный
гормон,
кальцитриол
проникает в клетку, где находится его
кальциол (D3)
рецептор. Гормон-рецепторный комплекс
печень
связывается с хроматином и стимулирует
экспрессию генов, ответственных за
кальцидиол (25-ОН-D3)
синтез Са-связывающих белков. Эти
почки
белки способствуют всасыванию кальция
в
кишечнике
против
градиента
кальцитриол (1,25-(ОН)2-D3)
концентрации.
Кальцитриол обеспечивает физиологические
концентрации кальция и фосфатов в крови
Рахит – заболевание, которое вызывается недостатком поступления с пищей или
нарушением синтеза в организме витаминов D (гипо- или авитаминоз D). Основным
проявлением является гипокальциемия и гипофосфатемия, что приводит к нарушению
кальцификации костей и специфическим изменениям скелета.
Кальцитонин
Кальцитонин вырабатывается в С-клетках
щитовидной железы. Одноцепочечный полипептид (32
аминокислоты), вырабатывается в виде прогормона,
активируется частичным протеолизом.
Секреция регулируется ионами кальция, глюкагоном и
гастрином.
Ткани-мишени:
костная ткань. Кальцитонин угнетает функцию
остеокластов и тормозит их образование из клетокпредшественников
(моноцитов).
Таким
образом,
ингибирует резорбцию как органической, так и
неорганической части костного матрикса.
фолликул
коллоид
С-клетки
капилляр
Кальцитонин понижает концентрацию кальция в крови
182
IX. Эйкозаноиды
Эйкозаноиды - это гормоны местного действия, производные С20-полиеновых
жирных кислот, главным образом, арахидоновой кислоты. Они образуются в
небольших количествах во всех органах и тканях человека (кроме эритроцитов), где
оказывают весьма разнообразное и кратковременное биологическое действие
Источником эйкозаноидов является линолевая кислота, которая является
незаменимым пищевым фактором. В организме она превращается в арахидоновую
кислоту, которая быстро включается в состав фосфолипидов (ФЛ) практически всех
тканей. Свободная арахидоновая кислота также является биологически активным
соединением. Однако гораздо большее значение имеют ее метаболиты:
простагландины, простациклины, тромбоксаны и лейкотриены, которые носят
групповое название эйкозаноиды (от греч. eikosi — 20).
пищевые
незаменимые жирные
кислоты (витамины F):
линолевая
фосфолипиды
мембран
линоленовая
глюкокортикоиды
фосфолипаза А2
арахидоновая
аскорутин
аспирин
метиндол
арахидоновая кислота С20
простагландинсинтаза
эндопероксиды
183 простагландины
простациклины
липооксигеназа
лейкотриены
тромбоксаны
Биосинтез эйкозаноидов начинается с высвобождения арахидоновой кислоты из ФЛ
под действием тканевых фосфолипазы А2 или фосфолипазы С. Затем под действием
полиферментного комплекса - простагландинсинтазы, в состав которого входит
циклооксигеназа (ЦОГ), образуются биоактивные промежуточные продукты
эндопероксиды, из которых затем синтезируются различные простагландины (ПГ).
В стенке сосудов из эндопероксида образуется особый тип - ПГI2 – простациклин
(ПЦ);
в тромбоцитах и тучных клетках из эндопероксида синтезируются тромбоксаны
(ТХ) - соединения с шестичленным кольцом;
в лейкоцитах арахидоновая кислота с помощью липооксигеназы превращается в
нециклические ненасыщенные лейкотриены (ЛТ).
Поразительное разнообразие метаболических эффектов и высокую активность ПГ
связывают с их действием на метаболизм через клеточных посредников. Эйкозаноиды
действуют как локальные биорегуляторы путем связывания с мембранными
рецепторами в непосредственной близости от места их синтеза как на синтезирующие
их клетки (аутокринное действие), так и на соседние клетки (паракринное действие).
В некоторых случаях их действие опосредовано цАМФ и цГМФ.
Эйкозаноиды обладают чрезвычайно разносторонней физиологической
активностью. Они служат вторичными мессенджерами гидрофильных гормонов,
контролируют сокращение гладко мышечной ткани (кровеносных сосудов, бронхов,
матки), принимают участие в высвобождении продуктов внутриклеточного синтеза
(гормонов, HCl, мукоидов), оказывают влияние на метаболизм костной ткани,
периферическую нервную систему, иммунную систему, передвижение и агрегацию
клеток (лейкоцитов и тромбоцитов), являются эффективными лигандами болевых
рецепторов.
Действие многих противовоспалительных препаратов основано на торможении
синтеза этих медиаторов. Глюкокортикоиды и их синтетические аналоги блокируют
фосфолипазу А2, негормональные средства - метиндол, аспирин, диклофенак и др.
ингибируют ЦОГ. Этим объясняется болеутоляющее, жаропонижающее и
антиревматическое действие подобных препаратов. В желудке такие препараты
подавляют биосинтез простагландинов, которые стимулируют выделение мукоидов,
защищающих слизистую оболочку от действия протеолитических ферментов. Поэтому
продолжительный прием ацетилсалициловой кислоты может вызвать язвенную болезнь
желудка и двенадцатиперстной кишки.
Важную роль в развитии тромбоза играет соотношение простациклин / тромбоксан в
стенке сосудов. ТХ А способствует тромбированию сосудов, т.к. вызывает агрегацию
тромбоцитов и оказывает самое мощное сосудосуживающее действие,
ПЦ
препятствуют образованию тромбов и активирует фибринолиз. Этим объясняется
антитромботический эффект нестероидных противовоспалительных препаратов
(аспирина, метиндола). Аскорутин ингибирует липооксигеназу, в связи с чем влияет на
проницаемость сосудов.
184
X. Изменение метаболизма в зависимости от режима питания
Постоянное поступление в организм с едой (питание) определенного
количества питательных веществ является необходимым условием жизни
человека. Благодаря этому обеспечивается нормальный метаболизм и
динамическое состояние всех молекул и клеточных структур.
При этом питание бывает нерегулярным, а, значит, поступление питательных веществ в
организм – неравномерным. Чтобы компенсировать перерывы в питании, органы и
ткани организма выполняют депонирующие функции.
Абсорбтивный период
Абсорбтивный период (всасывание) длится от двух до четырех часов (начиная с
приема пищи). При этом за счет всасывания в кишечнике повышается концентрация в
плазме крови глюкозы, аминокислот и жиров (ТАГ). В результате в ряде органов и
тканей усиливаются анаболические процессы, направленные на депонирование
питательных веществ. Характеризуется высоким соотношением инсулин/глюкагон.
Печень. Поступившая в печень глюкоза превращается преимущественно в гликоген,
который депонируется в печени, и триацилглицериды (жиры), которые в виде ЛПОНП
поступают в кровь.
Жировая ткань. Липопротеины доставляют в жировую ткань ресинтизированные
жиры из кишечника (в составе хиломикронов) и синтезированные в печени ТАГ (в
составе ЛПОНП).
Мышечная ткань. Поступающие с током крови аминокислоты запасаются в виде
белков, а глюкоза – в виде гликогена.
Мозг и сердечная мышца. Эти органы используют в качестве основного источника
энергии глюкозу, поступающую с кровью от кишечника.
аминокислоты
глюкоза
белки
гликоген
жиры
жиры
185
жиры
гликоген
Постабсорбтивный период
Через несколько часов после прекращения поступления пищи начинается
использование организмом запасенных энергетических резервов. Сигналом для
мобилизации запасов является изменение секреции гормонов поджелудочной железой.
Если в абсорбционную фазу было высоким соотношение инсулин/глюкагон, то в
постабсорбтивном периоде уменьшается секреция инсулина и возрастаетглюкагона. В результате начинается расщепление запасных веществ: жиров, белков,
гликогена.
Печень. Усиливается распад гликогена, в результате чего образуется глюкоза,
которая выходит в кровь и потребляется прежде всего мозгом и эритроцитами, т.е.
клетками, не имеющими собственных резервов глюкозы. При дальнейшем голодании в
печени активируется глюконеогенез – синтез глюкозы из аминокислот, поступивших из
мышц (вследствие распада белков) и глицерина, доставленного из жировой ткани (в
результате распада жиров).
Высшие жирные кислоты (ВЖК), которые также
приносятся кровью в печень из жировой ткани, превращаются в кетоновые тела –
основной энергетический субстрат для внепеченочных тканей в постабсорбтивном
периоде (особенно для сердечной мышцы и мозга, если другие энергетические резервы
исчерпаны, например, при длительном голодании).
аминокислоты
белки
гликоген
глюкоза
глицерин
жиры
глицерин
ВЖК
гликоген
глюкоза
кетоновые
тела
Энергетические
резервы исчерпаны
ВЖК
Мышцы. Запасы гликогена снижаются, образующаяся при этом глюкоза
используется мышечной тканью для собственных нужд. Белки распадаются до
аминокислот, которые с кровью поступают в печень и превращаются в глюкозу
(глюконеогенез).
Жировая ткань. Усиливается липолиз, образовавшиеся свободные жирные кислоты
транспортируются кровью (в комплексе с альбуминами) во многие ткани, где
являются источниками энергии (кроме мозга и эритроцитов).
186
Задания для самопроверки и самокоррекции
Задание 1
У пожилой женщины обнаружен остеопороз. Ей назначена диета с необходимым
количеством кальция, а также гормональная терапия. Какой гормон,
использумый в качестве рекальцификатора при заболеваниях костной
системы, можно назначить в данном случае?
А. Паратгормон
В. Кортизол
С. Альдостерон
D. Адреналин
Е. Кальцитонин
Задание 2.При кретинизме нарушается дифференцировка нервных клеток в
эмбриональном периоде. Назовите гормон, концентрация которого снижена
при данном заболевании.
А. Тестостерон
В. Кортизол
С. Адреналин
D. Тироксин
Е. Кальцитонин
Задание 3
При уменьшении объема циркулирующей крови (например, при кровопотерях)
активизируется ренин-ангиотензиновая система. Синтез какого гормона
надпочечников регулируется этой системой?
А. Тестостерона
В. Кортизола
С. Эстрадиола
D. Альдостерона
Е. Кортикостерона
Задание 4
Синтез липидов является важным звеном анаболизма, обеспечивающим организм
человека запасом энергетического материала. Назовите гормон,
стимулирующий этот процесс.
А. Адреналин
В. Кортизол
С. Эстрадиол
D. Инсулин
Е. Глюкагон
Правильность решения проверьте, сопоставив их с эталонами ответов.
1-B, 3-D, 5-B.
187
РАЗДЕЛ 10. БИОХИМИЯ КРОВИ
Функции крови
Транспортная функция:
перенос газов (дыхательная функция) кислорода и углекислого газа. т.е.
обеспечение
тканей
кислородом
и
выведение СО2;
перенос питательных веществ
(трофическая функция) к печени и другим
органам после всасывания в кишечнике.
Такой транспорт обеспечивает снабжение
органов
и
тканей
необходимыми
веществами для жизнедеятельности;
перенос метаболитов , обеспечивающий
обмен веществ в тканях и органах;
последующий перенос конечных
продуктов метаболизма (экскреторная
функция) для их выведения из организма
легкими, печенью и почками;
перенос гормонов (регуляторная функция)
от эндокринных желез к тканям-мишеням.
газы в крови
питательные
вещества,
метаболиты,
конечные продукты
метаболизма
гормоны
Поддержание гомеостаза:
клетка
внеклеточное
поддержание
водного
баланса
между
пространство
клеточным пространством и внеклеточной
средой;
поддержание температуры тела путем контроля
кровью транспорта тепла;
поддержание кислотно-основного равновесия,
т.е. рН крови, которое регулируется легкими,
почками и печенью.
Защитная функция:
в крови содержатся клетки иммунной системы и
антитела, защищающие организм от чужеродных
молекул и клеток;
клетки иммунной
антитело
системы
свертывающая система крови защищает организм
от кровопотерь при повреждении кровеносных
сосудов;
антисвертывающая система крови предотвращает
образование тромбов путем растворения
кровяных сгустков (фибринолиз).
свертывание крови
188
фибринолиз
Кровь человека составляет примерно 8% от массы тела. Она состоит из клеток,
клеточных фрагментов и водного раствора, т.е. плазмы. Доля клеточных элементов в
общем объеме называется гематокритом и составляет примерно 45%.
СОСТАВ КРОВИ
плазма (55 – 60%)
вода (90 – 92%)
форменные элементы
(40 – 45%)
сухой остаток (8 – 10%)
эритроциты 44%
неорганические
вещества
59%
органические
вещества
Nа+, К+, Са2+, Mg2+, F2+
Сl-, НСО3-, НРО42- и др.
небелковые соединения
6,5%
нейтрофильный моноцит
гранулоцит
31%
белки (7 – 8%)
малый
большой
лимфоцит
азотистые
мочевина
мочевая кислота
креатин,креатинин
аминокислоты
аммиак, индикан
билирубин
(остаточный
азот)
безазотистые
глюкоза
пируват
лактат
ТАГ
холестерин
2,4%
альбумины
(4,5%)
глобулины
(2–3,5%)
0,6%
эозирофил
базофил
гранулоцит
лейкоциты
фибриноген
(0,3%)
тромбоциты
Электролиты плазмы крови. Неорганические вещества плазмы представлены
катионами (основной из них натрий) и анионами (основные – хлор и бикарбонат),
причем, сумма анионов и катионов практически одинакова, т.е. вся система
электронейтральна. Электролитный состав плазмы крови близок к таковому в морской
воде.
Минеральные вещества, прсутствующие в крови в очень малых количествах,
называются микроэлементами. К ним относятся иод, медь, цинк, кобальт, селен и др.
Как правило, они находятся в плазме в связанном с белками состоянии.
189
I. Белки плазмы крови
Плазма крови содержит смесь белков, различающихся как по происхождению, так и
по выполняемой функции. Определение содержания общего белка плазмы крови –
важнейший элемент комплекса лечебных и профилактических мероприятий уже на
начальных этапах оказания медицинской помощи.
Функции белков крови:
поддержание онкотического давления (за счет альбуминов);
транспортная функция – перенос питательных веществ, метаболитов, гормонов,
лекарственных веществ;
поддержание вязкости крови;
участие в свертывающей системе крови (белковые факторы свертывающей и
противосвертывающей систем);
поддержание рН крови (белковая буферная система);
поддержание иммунитета (иммуноглобулины);
поддержание уровня катионов в крови;
резерв аминокислот.
Электрофореграмма
белков сыворотки крови
Плазма крови человека
содержит около 100 различных
белков.
Они
обладают
различной
структурой
и,
следовательно, отличаются по
физико-химическим свойствам,
в частности, по подвижности в
электрофоретическом
поле.
При этом сывороточные белки,
которые
из-за
наличия
избыточного
отрицательного
заряда движутся к аноду,
разделяются на пять основных
фракций: альбумин, α1-, α2-, βи γ-глобулины.
альбумин α1- α2- β- γ-глобулины
Альбумины – наиболее подвижная гетерогенная фракция белков, которая имеет ярко
выраженные гидрофильные свойства. Благодаря этим свойствам они поддерживают
онкотическое давление, поэтому при снижении их концентрации вода выходит из
кровяного русла в ткани и развиваются отеки. Альбумины также транспортируют по
крови многие низкомолекулярные гидрофобные метаболиты (липиды, витамины,
гормоны, желчные пигменты), а также ряд лекарственных препаратов.
190
Характеристика отдельных белков плазмы крови
Глобулины – гетерогенная фракция
белков плазмы крови, выполняющая
главным
образом
транспортную
функцию (перенос липидов, ионов
металлов, гормонов и др.), а также
защитную функцию (β- и γ-глобулины).
α2-Макроглобулин – гликопротеин α2глобулиновой фракции, универсальный
ингибитор протеиназ. Регулруя систему
тканевого протеолиза, участвует в таких
процессах, как свертывание крови,
фибринолиз,
реакции
воспаления,
сосудистого тонуса и др.
α1-Антитрипсин – гликопротеин, ингибирующий активность протеолитических
ферментов (трипсина, химотрипсинов, плазмина, тромбина и др.). При воспалении, а
также про остром панкреатите резко усиливается синтез этого белка в печени, а значит,
увеличивается его ингибиторная активность.
Гаптоглобин – белок α2-глобулиновой фракции, обладает способностью
связываться с гемоглобином и в виде комплекса транспортировать гемоглобин в РЭС,
где гемоглобин окисляется до желчных пигментов. Это способствует сохранению в
организме ионов железа, входящего в состав гемоглобина.
Трансферрин – гликопротеин β-глобулиновой фракции, обладает способностью
связывать ионы железа (Fе3+) и транспортировать его к месту депонирования и
использования.
Церулоплазмин – белок плазмы крови, основной функцией которого является
связывание ионов меди (Сu+), а также ферментативная активность при окислении
витамина С, адреналина и др. Резкое снижение этого белка в плазме крови характерно
для гепато-церебральной дистрофии (болезни Коновалова-Вильсона), при этом ионы
меди выходят из кровяного русла и накапливаются в соединительной ткани, приводя к
патологическим изменениям в печени, головном мозге и др.
Криоглобулин – γ-глобулин, появляющийся в крови только при патологических
состояниях: миеломе, циррозе печени, нефрозе, лейкозах, ревматизме и др. При
температуре ниже 37°С этот белок выпадает в осадок.
С-реактивный белок – белок «острой фазы», т.к. появляется в сыворотке крови в
острый период заболевания, сопровождающийся воспалением и некрозом тканей (в
норме этот белок в крови отсутствует).
Интерфероны – специфические белки, синтезируются в ответ на вирусную
инфекцию. Они угнетают размножение вирусных частиц, но не разрушают уже
191
имеющиеся вирусы.
Большинство белков плазмы синтезируется в гепатоцитах. Исключение составляют
иммуноглобулины, которые продуцируются клетками иммунной системы.
В клинике встречаются состояния, характеризующиеся изменением как общего
количества белков плазмы крови, так и нарушением соотношения фракций белков.
Гиперпротеинемия – повышение общего содержания белков в плазме крови:
относительная гиперпротеинемия – возникает при потери воды организмом;
абсолютная гиперпротеинемия – возникает в основном за счет повышения фракции
иммуноглобулинов при воспалении или инфекционных заболеваниях.
Гипопротеинемия – снижение общего белка в плазме крови в основном за счет
снижения количества альбуминов – возникает при поражении почек, печени, при
увеличении проницаемости стенок капилляров, а также при белковом голодании.
Парапротеинемия – появление в крови аномальных белков, например, при
миеломной болезни в крови обнаруживаются специфические «миеломные» белки.
Диспротеинемия – изменение процентного соотношения различных фракций
белков, наблюдается при различных заболеваниях, которые можно дифференцировать
при сравнении протеинограмм:
Ферменты плазмы крови
Секреторные ферменты
синтезируются в печени, в
норме секретируются в
кровь и катализируют
определенные
реакции
(например, свертывание
крови).
192
Экскреторные ферменты
Синтезируются в основном
в
печени,
в
норме
экскретируются в составе
желчи. При нарушении их
выделения концентрация
ферментов в крови растет.
Индикаторные ферменты
внутриклеточные ферменты
Попадают в кровь при
поражении тех органов, где
они находятся в норме,
являясь
индикаторами
степени поражения органа.
Калликреин-кининовая система
Кинины – это биоактивные низкомолекулярные пептиды крови, участвующие в
регуляции сосудистого тонуса, микроциркуляции, развитии воспаления. Они
образуются из неактивных кининогенов с помощью протеолитических ферментов
калликреинов, находящихся в крови в неактивном виде (прекалликреины):
кининогены
прекалликреины
Воспалительная реакция:
расширение сосудов;
калликреины
«Контрикал»
«Гордокс»
(противовоспалительные
препараты)
Кинины
(брадикинин
каллидин)
повышение
проницаемости сосудов;
боль;
кининазы
неактивные
полипептиды
аллергические реакции
II. Небелковые азотистые вещества крови
Небелковые азотистые компоненты крови называют остаточным азотом (остается в
фильтрате после осаждения белков крови).
Небелковый (остаточный) азот крови составляет в норме 15 – 25 ммоль/л.
Азотемия – повышение остаточного азота.
Продукционная азотемия –
возникает
при
избыточном
поступлении
азотсодержащих
продуктов
в
кровь
(вследствие
усиленного распада тканевых белков
при ожогах, обширных воспалениях,
кахексии)
Ретенционная азотемия –
возникает при нарушении выведения
небелковых
азотсодержащих
соединений.
Почечная
ретенционная азотемия
возникает вследствие
ухудшения экскреторной
функции почек. При этом
небелковый азот мочевины
возрастает до 90%
Внепочечная
ретенционная азотемия
возникает вследствие
нарушения кровообращения,
снижения артериального
давления и уменьшения
почечного кровотока 193
III. Кислотно-основное состояние крови (КОС)
рН = - lg[Н+]
Активная реакция крови обусловлена соотношением водородных и
гидроксильных ионов. Для определения активной реакции крови
используют водородный показатель рН – концентрацию ионов
водорода, которая выражается отрицательным десятичным
логарифмом молярной концентрации водородных ионов.
В норме рН – 7,36 (реакция слабоосновная); артериальной крови – 7,4; венозной –
7,35. При различных физиологических состояниях рН крови может изменяться от 7,3
до 7,5. Активная реакция крови является жесткой константой, обеспечивающей
необходимую активность ферментов, существенные изменения рН крови не
совместимы с жизнью.
Крайние пределы рН крови, совместимые с жизнью, равны 7,0 – 7,8.
рН плазмы
логарифмическая
шкала
нМ
[Н+]
рН
линейная
шкала
ацидоз
гиповентиляция;
повышенное образование Н+;
пониженное выведение Н+
алкалоз
гипервентиляция;
повышенное выведение Н+
Ацидоз – изменение реакции крови в кислую сторону вследствие накопления в
крови водородных ионов Н+.
Алкалоз –сдвиг реакции крови в щелочную сторону, обусловленный уменьшением
протонов и накоплением гидроксильных ионов ОН-.
В организме человека всегда имеются условия для сдвига активной реакции крови в
сторону ацидоза или алкалоза, которые могут привести к изменению рН крови. В
клетках тканей постоянно образуются кислые продукты. Накоплению кислых
соединений способствует потребление белковой пищи. Напротив, при усиленном
потреблении растительной пищи в кровь поступают основания. Поддержание
постоянства рН крови является важной физиологической задачей и обеспечивается
буферными системами крови и физиологическими механизмами – деятельностью
легких и выделительной системой почек.
Буферные системы нейтрализуют значительную часть поступающих в кровь кислот и
щелочей, тем самым препятствуя сдвигу активной реакции крови. В организме в
процессе метаболизма в большей степени образуется кислых продуктов. Поэтому
запасы щелочных веществ в крови во много раз превышают запасы кислых, и эти
щелочные запасы рассматривают как щелочной резерв крови.
194
IV. Буферные системы крови
Буферная система - это смесь слабой кислоты и ее соли (сопряженного сильного
основания). Попадание в плазму сильной кислоты вызывает реакцию буферных
систем, в результате которой сильная кислота превращается в слабую. То же
происходит при воздействии сильного основания, котрое аналогично превращается в
слабое . Вследствие этого изменения рН не происходит или оно будет минимальным.
Гемоглобиновая буферная система на 75% обеспечивает буферную емкость крови.
ННbO2 - оксигемоглобин - сильная кислота;
ННb -восстановленный гемоглобин – слабая кислота – донор протонов;
КНb – калиевая соль гемоглобина – сопряженное основание – акцептор протонов.
Оксигемоглобин является более сильной кислотой, чем восстановленный гемоглобин.
Оксигемоглобин обычно бывает в виде калиевой соли. В капиллярах тканей в кровь
поступает большое количество кислых продуктов распада. Одновременно в тканевых
капиллярах при диссоциации оксигемоглобина происходит отдача кислорода и
появление большого количества щелочно реагирующих солей гемоглобина. Последние
взаимодействуют с кислыми продуктами распада, например, угольной кислотой. В
результате образуются бикарбонаты и восстановленный гемоглобин:
КНb + Н2СО3
КНСО3 + ННb
В легочных капиллярах гемоглобин, отдавая ионы водорода, присоединяет кислород и
становится сильной кислотой, которая связывает ионы калия.
ННb + О2
ННbO2
Ионы водорода используются для образования угольной кислоты, в дальнейшем
выделяющейся из легких в виде Н2О и СО2.
ННbO2 + КНСО3
КНbO2 + Н2СО3
Н2О + СО2
Бикарбонатная буферная система по своей мощности занимает второе место. Она
представлена угольной кислотой (Н2СО3) и бикарбонатом натрия или калия (NaНСО3,
КНСО3) в пропорции 1/20.
Если в кровь поступает кислота, более сильная, чем угольная, то в реакцию вступает,
например, бикарбонат натрия. Образуются нейтральная соль и слабодиссоциированная
угольная кислота. Угольная кислота под действием карбоангидразы эритроцитов
распадается на Н2О и СО2, последний выделяется легкими в окружающую среду:
Н+ + NaНСО3
Н2СО3
гипервентиляция легких
Н2О + СО2
Если в кровь поступает основание, то в реакцию вступает угольная кислота, образуя
гидрокарбонат натрия и воду. Избыток бикарбоната натрия удаляется через почки:
ОН- + Н2СО3
НСО3- + Н2О
выводится через почки
195
Фосфатная буферная система
Составляет 1% буферной емкости крови (в тканях – основная буферная система).
NаН2РО4 - натрия дигидрофосфат – слабая кислота (донор протонов)
взаимодействует с поступившими в кровь щелочными продуктами:
ОН- + Н2РО4НРО4-- + Н2О
Nа2НРО4 - натрия гидрофосфат – соль сильного основания (акцептор протонов) вступает в реакцию с более сильными кислотами:
Н+ + Nа2НРО4
Н2РО4Эта буферная пара способна оказывать влияние при изменениях рН внутриклеточной
жидкости от 6,1 до 7,7.
Белковая буферная система
Осуществляет роль нейтрализации кислот и щелочей благодаря амфотерным
свойствам. Белки в зависимости от рН могут диссоциировать как кислоты и как
основания.
При сдвиге рН в щелочную сторону диссоциация основных групп угнетается и
белок ведет себя как кислота (НPr). Связывая основание, эта кислота дает соль NaPr.
С увеличением рН возрастает количество белков в форме соли, а при уменьшении растет количество белков плазмы в форме кислоты.
Нарушения кислотно-основного равновесия
Ацидоз – возрастание концентрации водородных ионов,
т.е. уменьшение рН крови
Н+
Метаболический ацидоз.
Вызывается поступлением в кровь больших количеств органических и неорганических
кислот, при этом способность химических буферов нейтрализовать протоны падает.
Причины:
избыточное введение протонов с пищей или лекарствами;
кетоацидоз (сахарный диабет, голодание, лихорадка, печеночная кома, шок,
послеоперационный период);
лактатный ацидоз (кардиогенный шок, отек легких, травматический шок, тяжелая
физнагрузка, нарушение водно-электролитного обмена при заболеваниях ЖКТ);
повышенная потеря бикарбоната натрия через кишечник (диарея, при острой
дизентерии или холере, болезни Аддисона);
почечный ацидоз (при нефрите - ограничение выведение кислот с мочей, при
гломерулонефрите - нарушение выведения сульфатов и фосфатов из организма,
нарушение секреции протонов и реабсорбции бикарбонатов);
применение диуретиков - ингибиторов карбангидразы (обязателен контроль)
Для купирования метаболического ацидоза применяют бикарбонат натрия, трисамин
или лактат натрия (противопоказания - печеночная недостаточность).
196
Дыхательный (респираторный) ацидоз.
Это нарушение КЩР, сопровождающееся повышением рСО2 артериальной крови.
Причины:
уменьшение дыхательного объема легких;
нарушение соотношения вентиляция/кровоток в отдельных участках легких, при
котором преобладает кровоток через гиповентилируемые отделы.
Наблюдается при острой дыхательной недостаточности, обусловленной отравлением
наркотиками, барбитуратами, приступом бронхиальной астмы, шоке, отеке легких, а
также при хронической дыхательной недостаточности.
Алкалоз – снижение концентрации водородных ионов,
т.е. увеличение рН крови
ОН-
Метаболический (нереспираторный) алкалоз.
Характеризуется недостатком органических и неорганических кислот в крови. При
этом способность химических буферов крови нейтрализовать протоны возрастает.
Первый вид - характеризуется алкалозом крови и всех тканей, возникает в результате
потери кислых продуктов (частых рвот) от введения в организм избыточного
количества соды, трис-буфера.
Второй вид - характеризуется алкалозом крови и ацидозом тканей в результате
следующих причин:
уменьшение внеклеточного жидкостного объема, что приводит к рефлекторному
усилению выведения почками протонов и реабсорбции бикарбоната натрия;
внутриклеточного дефицита калия (вместо калия внутрь клеток проникают протоны);
избыточного выведения ионов хлора с мочой.
Распознавание этих видов проводится методом исключения (при отсутствии рвоты выявляется второй тип).
Дыхательный (респираторный) алкалоз.
Нарушение КЩР, сопровождающееся уменьшением рСО2 артериальной крови.
Причины:
увеличение дыхательного объема легких;
нарушение соотношения вентиляция/кровоток в отдельных участках легких, при
котором преобладает кровоток через гипервентилируемые отделы.
Наблюдается при острой гипоксии, приступе бронхиальной астмы (чаще, чем ацидоз),
у беременных, в условиях высокогорья, лечении кофеином, эуфиллином, кордиамином,
а также прогестероном и салицилатами, возбуждающими дыхательный центр.
Увеличение дыхательного объема может быть произвольным (глубокое дыхание) и
непроизвольным (истерические реакции).
197
V. Свертывающая система крови
Свертывающая система крови состоит из ферментов и факторов плазмы крови,
тромбоцитов и интимы кровеносных сосудов. Она обеспечивает уменьшение
кровопотери при нарушении целостности кровеносной системы.
В остановке кровотечения можно выделить три фазы:
сокращение кровеносного сосуда;
образование белого (тромбоцитарного) тромба – наслоение тромбоцитов в месте
повреждения для закрытия повреждений небольших сосудов;
образование красного (фибринового) тромба – превращение растворимого белка
плазмы крови фибриногена (ф.I) в нерастворимую сеть волокон белка фибрина (ф.Iа),
в которую иммобилизуются форменные элементы крови: тромбоциты и эритроциты.
Катализирует превращение фибриногена в фибрин фермент тромбин (ф. IIа),
который отщепляет от молекулы фибриногена небольшие отрицательно заряженные
пептиды, при этом освобождаются участки связывания, благодаря чему образуется
фибрин-полимер. Затем фибринстабилизирующий фактор (глутамин-трансфераза)
(ф. XIIIа) образует связи боковых цепей аминокислот фибрина («сшивает» мономеры
фибрина), что приводит к формированию нерастворимого фибринового сгустка
(тромба). Далее происходит ретракция сгустка с помощью сократительного белка
тромбостенина (фактора тромбоцитов), обладающего АТФ-азной активностью.
Процесс свертывания крови представляет собой
каскад протеолитических
реакций:
из неактивных предшественников ферментов (проферментов, условно обозначаемых
римскими цифрами, на схеме в кружке
) путем отщепления пептидов образуются
активные ферменты - сериновые протеиназы (обозначаемые римскими цифрами с
индексом «а»
);
активные ферменты в свою очередь действуют на другие белки, переводя их в
активное состояние. Это обеспечивает лавинообразное усиление процесса, что
реализует быструю защитную реакцию на травму сосуда.
Свертывание крови может происходить по двум альтернативным механизмам :
вследствие нарушения целостности ткани (внесосудистый или внешний путь)
вследствие патологических процессов, которые начинаются на внутренней
поверхности сосуда (внутрисосудистый или внутренний путь).
Эти два механизма отличаются причинами, по которым происходит коагуляция и
начальными этапами, которые приводят в обоих случаях к активации ф. СтюартаПрауэра (ф. Х). С этого этапа (образования ф.Ха) внешний и внутренний пути
совпадают.
Активный ф.Ха является сериновой протеиназой, которая превращает неактивный
фермент протромбин (ф.II) в активный тромбин (ф.IIа) путем частичного протеолиза.
Далее тромбин трансформирует фибриноген в фибрин, что является основой для
образования кровяного сгустка. Кроме того, тромбин активирует ф.ХIII и по
198
механизму положительной обратной связи активирует ф.V, VII, VIII и ХI.
Схема свертывающей системы крови
Внешний путь
Внутренний путь
калликреин
3 мин
10 сек
III ФЛ2+
ХIIа
Са
ХIа
IХа
VIII
VIIа
VШа +Са2+ + ФЛ
Ха
V
Vа + Са2+ + ФЛ
IIа
ф.I
ф.II
ф.III
ф.IV
ф.V
ф.VII
ф.VIII
ф.IX
ф.X
ф.XI
ф.XII
ф.XIII
фибриноген
- I
протромбин
тканевой тромбопластин
ионы кальция Са2+
проакцелерин
проконвертин
антигемофильный глобулин А (ф.Виллебранда)
антигемофильный глобулин В (ф. Кристмаса)
ф. Стюарта-Прауэра
ф. Розенталя
ф. Хагемана
фибринстабилизирующий фактор
проферменты – неактивные формы
протеолитических ферментов;
факторы, содержащие γ-глутаминовую кислоту.
87
Iа
фибрин-мономер
фибрин-полимер
ХIIIа
ретрагированный фибрин
Белковые факторы свертывания II, VII, IX и X синтезируются в печени и содержат
необычную аминокислоту,
γ-карбоксиглутаминовую (гла). Она образуется
путем карбоксилирования глутаминовой кислоты в процессе посттрансляционной
модификации (созревания) этих белковых факторов с участием витамина К:
СООСООγ СН СООγ СН2
витамин К
СН2
СН2
СН
СН
белок СO NH белок
белок СO NH белок
Авитаминоз К сопровождается повышенной кровоточивостью. Это наблюдается
при нарушении всасывания жиров (например, при желчно-каменной болезни), что
препятствует усвоению жирорастворимого витамина К.
Антагонисты витамина К, например, препараты группы кумарина (дикумарин,
неодикумарин, пелентан, синкумар), подавляют синтез активных факторов коагуляции
и поэтому действуют как ингибиторы свертывания крови.
Остатки γ-карбоксиглутаминовой
кислоты в белковых факторах (на рис.
ф.Х, ф.II) группируются в особых
IIа
II
Ха
белковых
доменах
(гла-домены).
Благодаря своим отрицательным зарядам
они присоединяют ионы Са2+ , которые
необходимы
для
связывания
фосфолипиды
соответствующих
регуляторных
Vа
факторов
с фосфолипидами на
гла-домен поверхности плазматической мембраны
Са2+Са2+Са2+Са2+
тромбоцитов.
Вещества,
способные
связывать свободные ионы Са2+ в виде
мембрана
комплекса,
например
цитрат,
тромбоцитов
предотвращают это взаимодействие с
Протромбиназный комплекс
фосфолипидами и тормозят свертывание.
Внесосудистый (внешний) путь активации начинается с освобождения ф.III
(тканевого тромбопластина) из поврежденных клеток ткани. В течение нескольких
секунд этот фактор приводит к свертыванию крови в области раны.
Ф.III представляет собой интегральный мембранный белок, содержащий рецептор
фактора VII.
Ф.VII – гла-содержащий гликопротеин, функционирующий только во внешнем пути,
быстро включается после повреждения ткани в активацию, превращаясь в VIIа (по
принципу обратной положительной связи этому способствуют тромбин и ф.Ха). При
этом образуется комплекс, аналогичный протромбиназному (см. рис.), в который
входят ф.VIIа, тканевой фактор III, Са2+ и ФЛ (фосфолипиды мембран).
Причем, активность ф.VIIа в комплексе с тканевым фактором и ионами кальция
200 возрастает в 10000 раз.
Внутрисосудистый (внутренний) путь медленный процесс, т.к. в нем участвует
значительное количество факторов, образующих каскадный механизм, генерирующий
активный ф.Ха.
Этот путь инициируется коллагеном, который в норме не экспонирован на
внутренней поверхности кровеносных сосудов; его контакт с кровью приводит к тому,
что ф. XII становится доступным для атаки калликреином. В результате образуется ф.
XIIа, который в свою очередь индуцирует переход прекалликреина в калликреин (см.
стр. ).
ф. XIIа, являясь протеолитическим ферментом, превращает ф. XI в ф. XIа.
ф. XIа аналогичным образом активирует ф. IХ, превращая его в ф. IХа.
ф. IХа совместно с Са2+, фосфолипидами мембран (ФЛ) и ф. VIIIа (белокактиватор) образует комплекс, аналогичный протромбиназному комплексу (см. рис.).
Остатки гла факторов IХ и Х обеспечивают Са2+-зависимое связывание с кислыми
фосфолипидами мембран тромбоцитов, возникает высокая локальная концентрация
этих ферментных белков, что усиливает процесс активации ф.Х во много раз .
IХа
Ха
Х
VШа
Са2+Са2+Са2+Са2+
фосфолипиды
гла-домен
мембрана
тромбоцитов
В результате образуется активный
ф.Ха и с этого момента внешний и
внутренний пути сливаются в один путь
превращения протромбина (ф.II) в
активный тромбин (ф.IIа) в составе
протромбиназного комплекса.
На заключительном этапе под
действием протеолитического фермента
тромбина фибриноген (I) превращается
в фибрин (Iа), который полимеризуется
и уплотняется с образованием тромба.
В 1 мл плазмы крови содержится около 3 мг фибриногена и только 0,01мг фактора Х.
Это означает, что в системе гемостаза обязательно должна присутствовать
амплификация – усиление сигнала.
В процессе свертывания крови действуют два механизма усиления сигнала:
каскад реакций, в котором каждое ферментативное звено усиливает сигнал;
положительные обратные связи.
VI. Фибринолиз
Система свертывания крови в норме находится в динамическом равновесии, при
котором фибриновые сгустки все время образуются, а затем растворяются. Процесс
распада осуществляется с помощью фермента плазмина, который является сериновой
протеиназой, способной гидролизовать фибриноген, фибрин и другие белковые
факторы. В норме плазмин содержится в виде неактивного профермента –
плазминогена – гликопротеина β-глобулиновой фракции. Он активируется путем
частичного протеолиза с помощью различных тканевых и сосудистых активаторов. 201
Во многих тканях организма (кроме печени) имеются активаторы плазминогена (ТАП),
которые являются протеолитическими ферментами, неактивными в отсутствие
контакта с фибрином. При контакте с фибрином они активируются, переводят
плазминоген в активный плазмин и запускается процесс расщепления фибринового
тромба.
Схема фибринолиза
урокиназа
стрептокиназа
плазминоген
тканевые актиаторы
плазминогена (ТАП)
пептид
пептид
фибриновый тромб
плазмин
растворимые пептиды
ТАП, полученные методами генной инженерии, используются для лечения заболеваний, связанных с
тромбозам сосудов. Ферменты урокиназа (выделяют из клеток почек человека) и стрептокиназа
(бактериальный продукт) также активируют плазминоген и поэтому используются в медицинской
практике с целью лизиса тромбов и профилактики тромбозов.
Инактивация плазмина
+
плазмин
α2-антиплазмин
неактивный
плазмин
Для прекращения растворения тромбов
(т.е. инактивации плазмина) в крови
находится белок α2-антиплазмин,
который
связывает
плазмин
и
переводит его в неактивное состояние.
VII. Противосвертывающая система
Известно, что внезапный тромбоз сосудов может иметь опасные и даже
катастрофические последствия. Поэтому активность свертывающей системы должна
не только тщательно контролироваться, но и уравновешиваться противосвертывающей
системой, которая поддерживает кровь в жидком состоянии и состоит из
антикоагулянтов. Снижение их содержания в плазме крови может привести к тромбозу.
Антикоагулянты – это ингибиторы соответствующих белковых факторов
свертывания крови.
Антитромбины:
антитромбин III - белок, активность которого зависит от гепарина (кроме
тромбина ингибирует факторы IХа, Ха, ХIа, ХIIа);
α1-ингибитор протеиназ – гликопротеин α1 –глобулиновой фракции, ингибирует
тромбин, ф. Ха, ХIа ;
α2-макроглобулин - гликопротеин α2 –глобулиновой фракции, реализует до 25%
антитромбиновой активности плазмы крови (не зависит от гепарина);
гепарин –гетерополисахарид (гликозамингликан), синтезируется тучными клетками
печени, легких и кровеносных сосудов, активирует антитромбин Ш.
202
VIII. Обмен хромопротеинов
Хромопротеины – сложные белки, небелковой часть которых является
окрашенный компонент (от греч. chroma – краска). Наиболее распространенные
хромопротеины – это гемопротеины, содержащие в качестве небелковой части гем. К
гемопротеинам относятся:
гемоглобин и его производные;
миоглобин;
ферменты: цитохромы, каталаза, пероксидаза.
гем
Гемоглобин (Hb) состоит из гема
(небелковая часть) и белка глобина,
который
представлен
четырьмя
полипептидными цепями, каждая из
которых
пространственно
окружает
молекулу гема. В зависимости от
комбинации типов полипептидных цепей
различают виды гемоглобина:
HbА1 – состоит из 2α- и 2β-цепей;
HbА2 - состоит из 2α- и 2σ-цепей (2,5%);
Hb F - состоит из 2α- и 2γ-цепей.
Гем состоит из 4 пиррольных колец, содержащих
метильные (М) и винильные (В) заместители.
Азотсодержащие кольца связанны метиновыми
мостиками, образуя порфириновое кольцо, а атомы
азота связаны с железом: два азота – ковалентными
связями, другие два азота – координационными
связями. Кроме того, атом железа связан с
аминокислотой гистидином белка глобина, а также
имеет возможность для связывания лигандов:
кислорода или углекислого газа.
Железо в
гемоглобине двухвалентно (Fе2+).
Болезни гемоглобинов называются гемоглобинозы (описано более 200):
гемоглобинопатии – наследственное изменение структуры одной из цепей глобина,
например, серповидно-клеточная анемия, при которой
в β-цепях гемоглобина
глутаминовая аминокислота заменена на валин с образованием патологического Hb S;
талассемии – генетически обусловлены нарушением синтеза какой-либо
нормальной цепи гемоглобина, например, при β-талассемии в крови возрастает до 15%
концентрация HbА2 и резко повышается Hb F .
Производные гемоглобина:
HbО2 –оксигемоглобин, HbСО2 – карбгемоглобин;
HbСО – карбоксигемоглобин; HbОН – метгемоглобин.
203
IX. Биосинтез и распад гемоглобина
Источники атомов
азота и углерода в
геме: сукцинил-КоА
– метаболит ЦТК и
аминокислота глицин
σ-АЛК-синтаза
(КоЕ – ПФ)
сукцинил-КоА
глицин
σ-аминолевулиновая
кислота (σ-АЛК)
митохондрия
гем
регуляция по типу обратной
отрицательной связи
Fе2+
глицин
протопорфирин IХ
сукцинил-КоА
σ-АЛК- σ-АЛК
синтаза
О2
копропорфириноген III
σ-аминолевулиновая
уропорфириноген Ш
кислота
косинтаза
копропорфириноген III
порфобилиноген
уропорфириноген III
уропорфириноген
NН4+
Наследственные нарушения обмена порфиринов
Энзимопатии, связанные с дефектом ферментов синтеза
гема – порфирии – приводят к накоплению в тканях
промежуточных продуктов синтеза гема: порфиринов и их
предшественников.
Характеризуются
повышенной
чувствительностью к свету (вследствие усиленного
образования активных форм кислорода), неврологическими
нарушениями.
копропорфириноген III
протопорфириноген III
протопорфирин IХ
гем-синтаза
Эритропоэтическая порфирия (болезнь Гюнтера) – дефект
уропорфириноген Ш-косинтазы, моча, зубы и кости окрашены в
красный
цвет
вследствие
накопления
нефизиологичного
уропорфириногена I.
α- и β-цепи глобина
Печеночные порфирии – характерны
неврологические
нарушения,
обусловленные накоплением серотонина изза снижения гем-содержащего фермента
204 обмена этого биогенного амина.
гемоглобин
Fе2+
гем
Fе2+
Vit C
гем-оксидаза
глобин
биливердинредуктаза
гем в составе
вердоглобина
гем в составе
гемоглобина
ретикуло-эндотелиальная система
(печень, селезенка, костный мозг)
печень
УДФ-глюкуроновая
кислота
УДФ-глюкуроновая
кислота
НАДФН
НАДФ+
билирубин
кровь
билирубин
биливердин
УДФ-глюкуронилтрансфераза
моноглюкуранид
билирубина
билирубин свободный
нерастворимый
токсичный
«непрямой»
75%
УДФ-глюкуронилтрансфераза
диглюкуранид
билирубина
билирубин связанный
растворимый
нетоксичный
«прямой»
пирролы
желчный пузырь
диглюкуранид
билирубина
кишечник
глюкуроновая
25%
микрофлора кишечника
кислота
билирубин
мезобилирубин
мезобилиноген
почки
стеркобилиноген
кал
стеркобилин (300 мг в сутки)
моча
стеркобилиноген (4 мг в сутки)
205
Задания для самопроверки и самокоррекции
Задание 1
При мобилизации жира из жировых депо в кровь поступило большое количество
жирных кислот. Какими белками плазмы крови они будут транспортироваться
А. Альбуминами
В. α1–глобулинами
С. α2–глобулинами
D. β –глобулинами
Е. γ–глобулинами
Задание 2
У пациента с печеночной недостаточностью выявлено снижение показателя
остаточного азота крови. За счет какого компонента произошло снижение
этого показателя ?
А. Мочевины
В. Аммиака
С. Аминокислот
D. Билирубина
Е. Мочевой кислоты
Задание 3
Известно, что тромб в течение нескольких дней после образования
рассасывается. Какому ферменту принадлежит главная роль в этом
процессе?
А. Урокиназе
В. Стрептокиназе
С. Плазминогену
D. Плазмину
Е. Гепарину
Задание 4
После полученной травмы на голени ребенка появилась гематома, которая с
течением времени изменила свой цвет с пурпурного на желтый. Какой
процесс обусловил такое изменение окраски?
А. Связывание билирубина с альбуминами
В. Образование билирубиндиглюкуронида
С. Превращение гема в билирубин
D. Образование мезобилирубина
Е. Превращение гема в гемоглобин
Правильность решения проверьте, сопоставив их с эталонами ответов.
1-A, 3-D, 5-E
206
РАЗДЕЛ 11. БИОХИМИЯ ПЕЧЕНИ
Печень играет жизненно важную, центральную роль в промежуточном обмене
веществ. Особенности ферментативного аппарата печени и ее анатомических связей с
другими органами дает возможность печени участвовать в регуляции практически всех
видов обмена веществ и поддерживать постоянство концентрации в крови многих
жизненно важных соединений.
Печень - большая промежуточная станция между портальным кругом и общим
кровообращением организма, поэтому все вещества, всасывающиеся из кишечника,
должны пройти через печень. Основные клетки печени – гепатоциты – занимают
центральное место в реакциях промежуточного метаболизма, и в биохимическом
отношении являются как бы прототипом всех остальных клеток организма.
Печень – самый крупный орган в
организме человека (около 1,5 кг). Величина
и состав печени подвержены значительным
колебаниям, зависящим от состава пищи,
физиологического состояния организма и
других факторов.
вода
- 70-75%;
белки
- 12-24%;
липиды
- 2-6%;
углеводы - 2-85;
витамины
микроэлементы
Функции печени обуславливают ее своеобразный “биохимический альтруизм”:
происходящие в ней процессы настроены на производство различных веществ для
других органов (биосинтез веществ “на экспорт”);
защиту этих органов от образующихся в них (или поступающих извне) токсических
соединений.
Функции печени:
Регуляторно-гомеостатическая функция. Печень обеспечивает постоянство
состава крови (гомеостаз) путем синтеза, депонирования и выделения в кровь
различных метаболитов.
Депонирующая функция. Печень является важным депо углеводов (в виде
гликогена), в ней накапливаются также белки, жиры, гормоны, витамины,
минеральные вещества, составляющие метаболические резервы организма.
Обезвреживающая функция. В печени осуществляется биохимическая
трансформация (обезвреживание) токсических веществ эндо- и экзогенного
происхождения.
Экскреторная функция. Из печени ряд продуктов метаболизма либо выводится с
желчью в кишечник (холестерин, желчные кислоты, желчные пигменты), либо
попадают в кровь и оттуда выводятся почками. Нарушение этой функции
неблагоприятно сказывается на переваривании и всасывании липидов, а также
вызывает накопление токсических продуктов.
Метаболическая функция. В печени протекают основные биохимические процессы
обмена углеводов, липидов и белков, а также микроэлементов,
207 биологически активных веществ (витаминов, гормонов, биогенных аминов и др.).
I. Регуляция углеводного обмена
Печень - практически единственный орган, поддерживающий постоянный уровень
глюкозы даже в условиях голодания. Это достигается регуляцией скорости синтеза
гликогенолиза и глюконеогенеза - с одной стороны, и синтеза гликогена - с другой
стороны.
Пусковая реакция превращения глюкозы – фосфорилирование с образованием
глюкозо-6-фосфата – в печени катализируется двуми ферментами: гексокиназай
(активна при физиологических концентрациях глюкозы в крови) и специфической
глюкокиназой (активируется при поступлении с пищей большого количества
углеводов). Активность глюкокиназы в печени в 10 раз больше, чем гексокиназы, и она
не ингибируется продуктом реакции, в отличие от гексокиназы.
Процессы синтеза и распада гликогена регулируются благодаря
включению
механизмов фосфорилирования главных ферментов обмена гликогена гликогенсинтазы и гликогенфосфорилазы. Активация аденилатциклазы гормонами
запускает “каскадный “ механизм фосфорилирования этих ферментов, что приводит к
образованию активной фосфорилазы и неактивной гликогенсинтетазы. Таким образом,
усиливается распад гликогена. Включение механизма дефосфорилирования, наоборот,
ведет к усилению синтеза гликогена. В печени также активен гликогенветвящий
фермент - гликозил -(4-6)-трансфераза, образующий 1,6-гликозидные связи, т.е. точки
ветвления в процессе синтеза гликогена.
В печени активны ферменты глюконеогенеза (ФЕП-карбоксикиназа,
пируваткарбоксилаза,
глюкозо-6-фосфататза),
позволяющие
превращать
аминокислоты, лактат и глицерин в глюкозу в условиях уменьшения ее концентрации в
крови.
глюкоза
галактоза
фруктоза
глюкоза
глюкоза
конверсия
глюкозо-6-фосфат
гликоген
аминокислоты
аминокислоты
лактат
3-фосфоглицериновый
альдегид
глюконеогенез
пируват
ТАГ
ФЛ
ВЖК
ацетил-КоА
глицерин
При расщеплении глюкозы в печени основное значение имеет не окисление ее до
конечных продуктов – углекислого газа и воды, а запасание метаболитов, необходимых
для синтеза высших жирных кислот и глицерина, а следовательно, синтеза ТАГ,
которые в составе ЛП транспортируются в жировую ткань.
208
II. Регуляция липидного обмена
В печени имеется комплекс ферментов, катализирующий подавляющее большинство
реакций липидного обмена. Здесь синтезируются различные липиды – холестерин
(ХС), триацилглицериды (ТАГ), фосфолипиды (ФЛ), сфингомиелин – за счет
использования метаболитов, образующихся при окислении глюкозы.
В печени образуются липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП) транспортные формы липидов для доставки синтезированных в печени ТАГ через
кровь в адипоциты.
Печень синтезирует кетоновые тела – («жировое топливо») -источник энергии для
внепеченочных тканей.
Печень участвует в переваривании, всасывании липидов (путем синтеза парных
желчных кислот из холестерина и секрецией их в составе желчи в кишечник).
кетоновые
тела
одании
ВЖК
глюкоза
ВЖК
при гол
β-окисление
ацетил-КоА
ФЛ
ВЖК
ТАГ
ТАГ
апопротеины
ТАГ
холестерин
холестерин
(ХМ)
желчные
кисллоты
эфиры
холестерина
ЛПОНП
ЛПВП
периферические ткани
периферические ткани
Одним из нарушений в промежуточном обмене липидов является жировая
инфильтрация печени, т.е. переполнение клеточных элементов жиром. К факторам,
вызывающим жировую инфильтрацию, относят:
стойкое снижение гликогена в печени и , как следствие, повышение мобилизации
жира из депо (наблюдается при хронических инфекциях, сахарном диабете,
длительном голодании, пищевой интоксикации, отравлении ядами, туберкулезе,
длительном стрессе);
нарушение синтеза ФЛ и формирования ЛПОНП, что тормозит выход ТАГ из
209 печени (связано с недостатком липотропных факторов - метионина, холина).
III. Регуляция белкового обмена
Синтез белков. За сутки в организме синтезируется до 100 г белка, из них 50% - в
печени, Причем, наряду с собственными белками, печень синтезирует “на экспорт”
белки крови. Все альбумины крови, большая часть α- и β-глобулинов,
иммуноглобулины, большинство факторов свертывающей системы (протромбин,
проконвертин, проакцелерин, фибриноген), группа транспортных белков (ферритин,
церуллоплазмин и др.), гликопротеиды, липопротеиды синтезируются в печени. Эта
функция наиболее лабильна и обнаруживает отклонения даже при незначительных
функциональных нарушениях печени. В результате наблюдаются диспротеинемии,
понижение содержания альбуминов и других белков.
Метаболизм аминокислот. Концентрация аминокислот в плазме крови
контролируется печенью. Избыточные аминокислоты расщепляется печенью:
трансаминирование и дезаминирование аминокислот - способствует включению
их углеродных скелетов в промежуточный метаболизм как источник для синтеза
глюкозы (глюконеогенез) или как источник энергии (кетоновые тела).
Урогенез - образование мочевины – основной путь обезвреживания аммиака,
образующегося в печени в процессе белкового катаболизма. При нарушении функции
печени снижается суточное выделение мочевины с мочой.
Урикогенез - образование мочевой кислоты при распаде пуриновых нуклеотидов (в
печени активна ксантиноксидаза).
Синтез холина (липотропный фактор) и креатина (источник энергии для
мышечной ткани).
кетоновые тела
α-кетокислоты
креатин
холин
аминокислоты
биогенные амины
белки
NН3
α-кетокислоты
экспрессия
генов
орнитиновый
цикл
глюкоза
ДНК, РНК
мочевина
ПФП
мочевая
кислота
рибозо-5-фосфат
выведение
через почки
210
IV. Обезвреживающая функция печени
Печень является основным органом. где происходит обезвреживание природных
продуктов обмена и чужерожных веществ (ксенобиотиков).
Основные реакции детоксикации:
окисление;
восстановление:
метилирование;
ацетилирование;
конъюгация;
защитные синтезы (синтез мочевины)
Обезвреживание включает две фазы:
Фаза модификации (несинтетическая) - это ферментативная модификация
структуры, в процессе которой в молекулу обезвреживаемого вещества вводятся
дополнительные функциональные группы (амино-, гидроксильная) либо разрываются
связи (гидролиз), таким образом повышается растворимость обезвреживаемого
вещества в воде и (или) появляется возможность вовлечь это вещество в фазу
конъюгации.
Фаза конъюгации
(синтетическая) - образование ковалентных связей между
молекулами обезвреживаемого вещества и биомолекулами организма: глюкуроновой
кислотой, сульфатами и др. Донорами остатка глюкуроновой кислоты является ее
активная форма – УДФ-глюкуроновая кислота, донором серной кислоты является 3фосфоаденозинфосфосульфат (ФАФС). Не имея функциональных групп, вещество не
может пройти фазу конъюгации.
Следует отметить, что некоторые вещества обезвреживаются только в одну фазу первую или вторую.
В первой фазе главная роль отводится микросомальному окислению, а именно
ферментным системам мембран эндоплазматического ретикулума – микросомальным
оксигеназам (монооксигеназам). Центральный компонент этой системы - цитохром
Р-450. Имеется ряд изоформ этого ферментав в эндоплазматическом ретикулуме
гепатоцитов, которые отличаются по специфичности, т.е. могут катализировать не
только гидроксилирование, но и другие реакции. В качестве доноров водорода (протона
и электрона) в реакциях гидроксилирования выступают НАДФН. Эти ферментные
системы образуют короткие электронотранспортные цепи микросомального окисления,
компонентами которых является ФАД-содержащий флавопротеин (ФП), цитохром b5 и
концевая монооксигеназа – цитохром Р-450:
RH
НАДФН Н+
ФП(ФАД)
цит.b5
О2
цит.Р-450
Н2О
RH - обезвреживаемое гидрофобное вещество
211
R-OH - гидрофильное вещество, способное к конъюгации
R-OH
Задания для самопроверки и самокоррекции
Задание 1
Выберете верное завершение для данного утверждения: «Синтезированные в
печени нейтральные липиды секретируются в кровь в составе …»
А. ЛПОНП
B. ЛПНП
C. ЛПВП
D. Хиломикронов
E. В свободном виде
Задание 2
Выберите верные завершения для данного утверждения: «Причинами снижения
образования ЛПОНП и последующего жирового перерождения печени
являются …»
А. Белковое голодание
B. Недостаток в продуктах питания метионина и холина
C. Отравление гепатотоксическими ядами
D. Алкоголизм
E. Ожирение
Задание 3
Выберите биохимические показатели, характеризующие детоксицирующую
функцию печени:
A. Содержание альбуминов в сыворотке крови
B. Содержание бета-глобулинов в сыворотке крови
C. Содержание мочевины в сыворотке крови
D. Активность монооксигеназ в гепатоцитах
E. Содержание билирубина в крови
Задание 4
Выберите верное завершение для данного утверждения: «Микросомальное
окисление – это реакции …»
А. Использования кислорода в биоэнергетических процессах
Б. Использования кислорода в «пластических» процессах
В. Распада жирных кислот в организме
Г. Дезаминирования аминокислот
Д. Аэробного распада глюкозы
Правильность решения проверьте, сопоставив их с эталонами ответов.
1-A, 3-C, 5-C.
212
Предметный указатель
—А—
Авидин 21,29
Авитаминозы 21
Аденозин 107,114
Аденозинтрифосфат 33
Адреналин 27,56,74,104,105,107
АДФ 5,15,25,32,33,35,41,42,43,48,
53,56,57,62,75,76,82,85,98,99,100,
101,112,113
Аэробный гликолиз 51,59,60
Азотистый баланс 90
Азотемия 193
Аланин 97-99,102,103
Алкаптонурия 106
Алкалоз 82,85
Альбинизм 106
Альбумин 71,74,90,161,174,180,
186,189,190,192,210
Альдолаза 59,67
Альдостерон 174
АМФ 22,23,48,62,75,100-102,109,112115,118,137,150-152
Аммиак 34,94,96-103,189,210
Аминокислоты 5,6,11,24,32,35,
36,51,61,89-98,103-107,111,118,
138,160,165,167,181,182,185,186,
189,208,210
- дезаминирование 34,96,98,210
- декарбоксилирование 104
-трансаминирование 97
Анаэробный гликолиз 51,57,60,93
Анаболизм 32
Ангиотензин 48,63
Андрогены 170,176,177
Антивитамины 21
Антимицин 44
Антигемофильный глобулин А 87
Антигемофильный глобулин В 87
Антидиуретический гормон 158
Антикоагулянты,
Антиоксиданты 36,87
Апофермент 6,21,45
Аскорбиновая кислота 20,28
Атеросклероз 81,87,179
АТФ - см. аденозинтрифосфат
Ацетил-КоА 57,82,83,84,85,103,
166,170,208,209
Ацидоз 102,173,194,196,197
—Б—
Барбитураты, 44
Белки: 32,36,39,40,51,61,80,89, 90, 92,
93,95,120,121,125,133,139,140,142,147
148,149,150,152-155,161, 165,182,
185,186,189-192,196,198, 203,297, 210
- переваривание 91,93,94
Биологическое окисление 37
—В—
Высшие жирные кислоты 69,186
Витамин В1 22,20
Витамин B2 23,20
Витамин В3 29
Витамин В5 24
Витамин В6 25
Витамин В9 26
Витамин В12 27,107
Витамин С - см. аскорбиновая к-та
Витамин Д 69
Предметный указатель
Витамин К 200
Витамин Р - см. рутин
Витамин РР 24,25
—Г—
Галактоза 50-52,67,208
Галактоземия 67
Гиперлипопротеинемии 87
Гиповитаминоз 20-29
Гликоген 15,50,53-56,63,67,94,103,
106,165,166,169,173,185,186,
208,209
Гликогенез 51,53,94
Гликогеновые заболевания 56
Гликогенолиз 51,56,162,164,169,
208
Глицерин 34,35,56,61,62,69-75,85,
151,164,166,169,173,186,208
Глицерофосфолипиды 55,56,164,
169,208
Глюкоза 50-64,67,77,78,85,95,103,
107,111,118,164,165,171,172,185,
186,189,208,209,210
—Д—
Дезаминирование аминокислот
96,98,210
- Непрямое 97
- Прямое 97
Декарбоксилирование аминокислот
104
Дихотомический
51,57
распад
глюкозы
—Ж—
Железо-серные белки 39
Жиры 70-73,76,85,164-168,185,186,
207
—И—
Изоферменты 9
Инозинмонофосфат 111,112
Инсулин 50,62,74,82,85,133,148,150,
157,164-168,175,185,186
—К—
Кальцитонин 148,182
Кальцитриол 170,181,182
Катаболизм 32,34,37,45,46,74,97,103,
106,115,162,168,171,210
- общие стадии 45
- специфичные 34
Кетоновые тела 77,169,186,209,210
—Л—
Либерины 146
Лизофосфатидилхолин 77
Липиды 32,35,51,61,69,80,95,207,209
Липолиз 8,70,73,74,156,157,162,169,
173,177,186
Липопротеиды 80,210
—М—
Мевалонат 78
Метионин 7,26,27,86,103,107,140,
142,209
Минералокортикоиды 170,173,174
Предметный указатель
—Н—
НАД-зависимые дегидрогеназы 38
Нейтральные жиры 69,73,86
Непрямое окисление глюкозы 51,57
Никотиновая кислота 24
Нуклеотид 21,112,116,119,127
—О—
Ожирение 87,163,168
Окислительное фосфорилирование 33
ОМГ-SКоА-редуктаза 78
—П—
Пантотеновая кислота 29
Паратгормон 181
Пептидная связь 15,89,91,141
Пиридоксин 25
—Р—
Реакции катаболические 32
Ресинтез специфических жиров 73
Рибофлавин 23
Распад гликогена 169,186
Ротенон 44
Рутин 28
—С—
Свободнорадикальное окисление
36
Спиртовое брожение 51,63
Стероиды 62,72,170,171,179
Супероксид-анион 36
—Т—
Тиамин 21,22
Тироксин 106,148,155,160,162
Триацилглицериды 80,85,185,209
----У--Убихинон 20,38
Углеводы 32,35,50,51,165,175,207
—Ф—
Ферменты:
-Специфичность 8
- Структура 5,13
- Ингибирование 16,17
- Кинетика 12
- регуляция активности 13
- Фосфорилирование 15
Фолиевая кислота 26
Фосфатидилхолин 79,86
Фосфолипаза 72,149-153,183
Фруктоза 50-52,67,208
—Х—
Хиломикроны 71,73,80,81,166
Холестерин 36,69,71,72,73,78-81,87,
170,172,182,189,207,209
—Ц—
Цикл Кори 62
Цикл трикарбонових кислот 35,46,47
52,59,60,63,66,75-77,98,102,103,166,
174,181,204
- энергетический баланс 48
- Регуляция 48
Предметный указатель
Цитохромы 39,203
---Э--Эссенциальная фруктоземия 67
Этанол 57,63
Этиловый спирт - см. этанол