КРАТКИЙ КУРС ЛЕКЦИЙ ПО БИОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Формат документа: doc
Размер документа: 13.8 Мб





Прямая ссылка будет доступна
примерно через: 45 сек.



  • Сообщить о нарушении / Abuse
    Все документы на сайте взяты из открытых источников, которые размещаются пользователями. Приносим свои глубочайшие извинения, если Ваш документ был опубликован без Вашего на то согласия.

СМОЛЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ
АКАДЕМИЯ










Т.Г. Макаренко


КРАТКИЙ КУРС ЛЕКЦИЙ ПО БИОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ
для студентов, обучающихся по специальности
Педиатрия



Издание одобрено и рекомендовано к печати
Центральным методическим советом
Смоленской государственной медицинской академии
















Смоленск
2014
УДК: 577.1 (071)
ББК: 28.072
М 151



Рецензенты: доктор медицинских наук, профессор А.В. Евсеев
кандидат медицинских наук, доцент В.В. Решедько



Краткий курс лекций по биологической химии для студентов, обучающихся по специальности Педиатрия. / Т.Г. Макаренко под редакцией Н.М. Стунжаса
Смоленск. СГМА. 2014.- 166 с.





Пособие содержит краткое изложение учебного материала по биохимии, как излагаемого в лекционном курсе, так и, предназначенного для самостоятельного изучения. В пособие вошли профильные вопросы по особенностям обмена веществ в детском возрасте. Тесты, ситуационные задачи для оценки степени усвоения материала представлены в ранее изданных учебно-методических пособиях для самостоятельной подготовки к занятиям по биологической химии для студентов, обучающихся по специальности Педиатрия. Дополнительный иллюстративный материал содержится в презентациях лекционного курса. Пособие может быть полезным и для студентов других факультетов, изучающих биохимию.






















Учебное пособие рекомендовано Центральным методическим советом

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ БЕЛКОВ

Белки - высокомолекулярные полимерные азотсодержащие органические вещества, состоящие из аминокислот, соединённых пептидными связями, и имеющие сложную структурную организацию.
Термин белки обусловлен способностью данных соединений выпадать в осадок белого цвета. Название протеины произошло от protos (греч.) – первый, важный, что отражает центральную роль этого класса веществ в организме.

1.1. Содержание белков в организме человека
Содержание белков в тканях организма человека выше, чем содержание липидов, углеводов. Оно составляет 18 – 20%. от общей массы тканей (сырой массы). Преобладание в тканях белков по сравнению с другими веществами наиболее наглядно выявляется при расчёте содержания белков на сухую массу тканей – 40 – 45%. Содержание белков в различных тканях колеблется в определённом интервале. Наиболее высоко содержание белков в скелетных мышцах (18 – 23% от сырой массы или 80% от сухой массы ткани). Низким содержанием белков отличается жировая ткань (6% сырой массы или 4% сухой массы ткани).
В детском возрасте общее количество белков в организме, их состав иные, чем у взрослых людей. В организме плода общее содержание белков не превышает 10% . У новорожденных детей оно составляет 10 – 12% массы тела. В период новорожденности наблюдается усиление процессов распада белков для энергетических целей. В силу этого содержание белков временно снижается. В раннем детском возрасте преобладают незрелые растворимые структурные белки. С возрастом усиливается их дифференцировка в зрелые функциональные белки.

1.2. Биологические функции белков
Биологическая роль белков многообразна. Функции белков связаны с их высокой специфичностью, способностью взаимодействовать с различными лигандами, рецепторами, структурами клеток.
Пластическая (структурная) функция – белки входят в состав всех клеточных структур вместе с нуклеиновыми кислотами, липидами, углеводами.
Энергетическая функция - 1г белков обеспечивает образование более 4 ккал энергии.
Регуляторные функции:
а) ферментативная функция – более 2 тысяч белков являются биологическими катализаторами, регулируя скорость химических реакций в организме;
б) гормональная функция – некоторые гормоны, регулирующие биохимические и физиологические процессы в организме, относятся к белкам;
в) белки гистоны в составе хроматина регулируют активность генов ДНК;
г) внутриклеточный белок кальмодулин регулирует активность различных ферментов.
Защитная (иммунная) функция – такие белки как иммуноглобулины, интерферон, лизоцим обладают способностью связывать вещества, чужеродные для организма.
Специфические функции:
а) сократительная функция (белки мышц актин и миозин);
б) фоторецепторная функция (белок сетчатки родопсин);
в) свёртывание крови (фибриноген);
г) рецепторная функция – белки входят в состав клеточных рецепторов к биологически активным веществам.



1.3. Химический состав белков

1.3. 1. Элементарный состав белков
Химический состав белков достаточно разнообразен. Основными химическими элементами являются углерод (51 – 55%), кислород (21 – 23%), азот (16% - наиболее постоянная величина), водород (6- 7%) и непостоянный элемент сера (0,5 – 2%).

1.3.2. Аминокислотный состав белков
Аминокислоты по химической природе являются производными карбоновых кислот, в которых атом водорода в α – положении замещён на аминогруппу.. В состав природных белков входят α–аминокислоты, которые отличаются структурой радикала у α-углеродного атома.



Номенклатура аминокислот. Аминокислоты имеют обычно тривиальные названия. В белках и пептидах они обозначаются тремя первыми буквами их названия. Например, валин – вал, треонин – тре и т.д.
Классификация аминокислот. Аминокислоты классифицируют по структуре их углеводородного радикала и по полярности радикала аминокислот. Структура радикала и полярность аминокислот определяют характер образуемых ими связей в молекуле белка.
По структуре радикала выделяют 7 групп аминокислот:
аминокислоты, не имеющие радикала: глицин;
аминокислоты с углеводородным радикалом: аланин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, пролин;
аминокислоты, содержащие в радикале карбоксильную группу: глютаминовая, аспарагиновая кислоты, глютамин, аспарагин;
аминокислоты, содержащие в радикале аминогруппу: лизин, аргинин;
аминокислоты, содержащие в радикале гидроксильную группу: серин, треонин, тирозин, гидроксипролин, гидрокcилизин;
аминокислоты, содержащие в радикале тиогруппу: цистеин, цистин, метионин;
аминокислоты, содержащие гетероциклический радикал: гитидин, триптофан;
По полярности радикала аминокислоты делятся на две группы:
неполярные (гидрофобные) аминокислоты: аланин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, триптофан, пролин, гидроксипролин, метионин;
полярные (гидрофильные) аминокислоты:
а) электронейтральные (незаряженные) аминокислоты: серин, треонин, цистеин, аспарагин, глютамин;
б) кислые (отрицательно заряженные): глютаминовая, апарагиновая;
в) основные (положительно заряженные) аминокислоты: лизин, аргинин, гистидин.

1.4. Виды связей аминокислот в белках
В молекуле белка различают прочные, ковалентные связи: пептидные, дисульфидные и непрочные, нековалентные связи: водородные, ионные, вандерваальсовые, гидрофобные.

Пептидные связи
Пептидные связи (-СО-NН-) являются основным видом связей в белках. Впервые они были изучены А.Я. Данилевским (1888 г.). Пептидные связи образованы путём взаимодействия α- карбоксильной группы одной аминокислоты и α - аминогруппой другой аминокислоты. Пептидная связь является сопряжённой связью, электронная плотность в ней смещена от азота к кислороду, в силу чего она занимает промежуточное положение между одинарной и двойной связью. Длина пептидной связи составляет 0,132 нм. Вращение атомов вокруг пептидной связи затруднено, атомы О и Н в ней находятся в транс-положении. Все атомы пептидной связи располагаются в одной плоскости. Атомы О и Н пептидной связи могут дополнительно образовывать водородные связи с другой пептидной связью. Пептидные связи определяют порядок чередования аминокислот в полипептидной цепи белка, т.е. формируют первичную структуру белка. Пептидные связи – прочные связи (энергия разрыва составляет около 95 ккал/моль). Расщепление пептидных связей осуществляется при кипячении белка в присутствии кислот, щелочей или под действием ферментов пептидаз.
Дисульфидные связи
Дисульфидные связи (-S- S-) образованы двумя молекулами цистеина в составе белковой молекулы. Возможны внутрицепочечные дисульфидные мостики в пределах одной полипептидной цепи и межцепочечные связи между отдельными полипептидными цепями. Например, в молекуле гормона инсулина присутствуют оба варианта дисульфидных связей. Дисульфидные связи влияют на пространственную укладку белковой молекулы, т.е. третичную структуру белков. Дисульфидные связи разрываются при действии некоторых восстановителей и при денатурации белка.
Водородные связи
Водородные связи возникают между атомом водорода и электроотрицательным атомом (чаще кислородом). Водородные связи примерно в 10 раз слабее пептидных связей. Наиболее часто они возникают между атомом Н и атомом О различных пептидных связей: либо близко расположенных в молекуле белка, либо находящихся в разных полипептидных цепях. Большое количество водородных связей фиксирует в белках в основном вторичную структуру (α-спираль и β-складчатую структуру) а также участвует в образовании третичной и четвертичной структур белка. Непрочные водородные связи легко разрываются при денатурации белка.
Ионные связи
Ионные связи образуются между противоположно заряженными аминокислотами в составе белковой молекулы (положительно заряженными лизином, аргинином, гистидином и отрицательно заряженными глютаматом и аспартатом). Ионные связи влияют на пространственную укладку белков, т.е. формируют третичную и четвертичную структуры белков. Ионные связи нарушаются при изменении рН среды, при денатурации.
Ван-дер-ваальсовые взаимодействия
Ван-дер-ваальсовые взаимодействия – разновидность связей, возникающих при кратковременной поляризации атомов.
Гидрофобные связи
Гидрофобные связи возникают между неполярными (гидрофобными) радикалами аминокислот в полярном растворителе (вода). Гидрофобные радикалы погружаются внутрь белковой молекулы, меняя пространственное расположение полипептидной цепи. Гидрофобные взаимодействия имеют энтропийную природу, придают устойчивость молекуле белка, участвуя в формировании его третичной, а также четвертичной структуры.

1. 5. Структурная организация белков
Принято выделять четыре уровня структурной организации белков, которые обозначаются как первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белков.

1. 5. 1. Первичная структура белков
Первичная структура – порядок чередования аминокислот в полипептидной цепи.
Впервые первичная структура изучена в 1954 году Ф. Сенджером для гормона инсулина. Изучение первичной структуры представляет сложный процесс и включает два основных этапа: изучение аминокислотного состава и изучение последовательности соединения аминокислот в полипептидной цепи.
Изучение аминокислотного состава белка осуществляется путём его гидролиза до аминокислот. Для разрыва прочных пептидных связей между аминокислотами используют кислотный, щелочной и ферментативный гидролиз белка. Кислотный гидролиз осуществляется кипячением раствора белка в течение 16 - 92 часов, при температуре 1100 с 6-нормальным раствором соляной кислоты. Щелочной гидролиз производится кипячением раствора белка в течение 4 – 8 часов, при 1100 с 2-4 нормальным раствором NaOH. Ферментативный гидролиз происходит при участии ферментов протеиназ (пептидаз): трипсин, пепсин. В отличие от кислотного и щелочного гидролиза ферментативный гидролиз (протеолиз) наиболее специфичен, при нём ферменты расщепляют только определённые связи в белках. Окончание процесса гидролиза оценивают по двум признакам: а) по отсутствию положительной биуретовой реакции на пептидные связи и б) по окончанию прироста концентрации аминогрупп и карбоксильных групп в гидролизате. Динамику прироста аминогрупп и карбоксильных групп оценивают методом формольного титрования, связывая формальдегидом аминогруппы аминокислот, освобождающихся при гидролизе белка. Образовавшиеся при гидролизе аминокислоты идентифицируют методом хроматографического анализа, основанном на разных физико-химических свойствах аминокислот.
Исследование последовательности аминокислот в составе белка, в свою очередь, проводится различными методами. Белки с высокой молекулярной массой предварительно подвергаются частичному ферментативному гидролизу до коротких пептидов. Затем в полученных коротких пептидах определяются последовательно более доступные для исследования концевые аминокислоты, находящиеся или на N-конце, или на С-конце пептида.
С целью распознавания С - и N -концевых аминокислот применяются ферментативные методы. Ферменты аминопептидазы отщепляют от пептида N - концевую аминокислоту, которая определяется хроматографически. Ферменты карбоксипептидазы, отщепляют от белка С - концевую аминокислоту.

Аминопептидазы Карбоксипепетидазы
Наряду с ферментативными используются химические методы распознавания концевых аминокислот:
А) методы исследования N- концевых аминокислот заключаются в присоединении к N -концевой аминокислоте какой - то химической метки при помощи связи, более прочной, чем пептидная связь. При последующем гидролизе N- концевая аминокислота оказывается связанной с каким-либо химическим веществом. - меткой. С этой целью используют реактив Сенджера - динитрофторбензол С6Н5(NO2)2F. Этот метод неудобен, так как он предполагает одноразовое исследование. В связи с этим чаще используют реактив Эдмана - фенилизотиоцианатнат С6Н5-N(S)=C. Одновременно с присоединением фенилизотиоцианата к N –концевой аминокислоте происходит образование циклического продукта и ослабление связи N-концевой аминокислоты с полипептидной цепью. С помощью последующего мягкого гидролиза осуществляется отщепление меченой N-концевой аминокислоты с сохранением остальной части белковой молекулы. Вторая аминокислота с N-конца в результате становится концевой и распознается повторным применением реактива (смотри схему).

Б) Методы распознавания С - концевой аминокислоты.
Метод Акобори заключается в использовании фенилгидразина. Фенилгидразин разрывает пептидные связи в белке и присоединяется ко всем аминокислотам, кроме C-концевой. Последующий хроматографический анализ позволяет распознать С - концевую аминокислоту в составе белка (смотри схему).

Исследование первичной структуры имеет важное общебиологическое и медицинское значение:
Первичная структура является определяющей для последующих структур белка.
Знание первичной структуры белка необходимо для искусственного синтеза белков с наперёд заданными биологическими свойствами
Первичная структура определяет видовую специфичность белков, например, в белке инсулине, обычно в середине молекулы у различных видов животных и человека происходит замена, как правило, 3-х равноценных по свойствам радикалов аминокислот.
Изменения в первичной структуре могут причиной молекулярных патологий. Например, при серповидно клеточной анемии в гемоглобине в β - цепи в 6 положении глютаминовая кислота заменяется на валин. Эта замена на неравноценную по свойствам радикала аминокислоту приводит к нарушению функции гемоглобина и появлению серповидной формы эритроцитов.
В белковой молекуле при чередовании жестких (пептидная связь) и гибких (α -углеродный атом) участков формируется компактная укладка цепи в пространстве.



1. 5. 2. Вторичная структура белков
Вторичная структура - регулярно повторяющаяся форма укладки полипептидной цепи в пространстве. Чаще всего в белках встречается 2 вида вторичной структуры: α - спираль и β – складчатая структура.
α – спираль в 1951 году изучена Л. Полингом с помощью рентгеноструктурного метода. Она представляет собой правозакрученную спиральную структуру, в одном витке которой укладывается 3,6 аминокислоты. Шаг спирали (расстояние между соседними витками) составляет 0,54 н.м. α - спираль фиксируется водородными связями, которые замыкаются между пептидными связями, образованными каждой 4-ой аминокислотой. Вторичная α - структура укладывается самопроизвольно и определяется первичной структурой белка. Доля участков, уложенных в спиральную структуру, в различных белках различна. Например, в гемоглобине, миоглобине преобладает α - структурная укладка, которая в 4 раза уменьшает размеры белковой молекулы.
β – структура имеет вид гармошки и стабилизируется водородными связями между удалёнными участками одной полипептидной цепи или между несколькими полипептидными цепями. Выделяют параллельные β – структуры, в которых N и С-концы соответствуют друг другу, и антипараллельные структуры. Примером белков, содержащих преимущественно β – структуры, являются фиброин шёлка, иммуноглобулины.

Вторичная структура белков. А - α – спираль, Б - β – структура


Вторичную структуру изучают методами рентгеноструктурного анализа, исследованием поглощения белком ультрафиолетовых лучей (чем больше доля α – структур, тем больше поглощение).
Вторичная структура белков разрушается при денатурации.

1. 5. 3. Третичная структура белков
Третичная структура - специфическая для каждого белка форма укладки полипептидной цепи в пространстве. Данная структура формируется самопроизвольно и определяется первичной структурой. Третичная структура значительно, в десятки раз увеличивает компактность белка. В формировании третичной структуры участвуют нековалентные связи (гидрофобные, ионные) и ковалентные (дисульфидные) связи, изображённые на рисунке.


Третичная структура определяет биологическую активность и некоторые физико-химические свойства белков. Изменения в третичной структуре белка отражается на его биологической активности.
Методами изучения третичной структуры являются рентгеноструктурный анализ и определение химической доступности отдельных радикалов аминокислот в белке. Третичная структура белка миоглобина впервые была изучена Дж. Кендрью (1957 г.). М. Перутцем (1959 г.) была изучена структура гемоглобина.
В третичную структуру белков входят α - спиральные, β - складчатые структуры, β- петли (в них полипептидная цепь изгибается на 1800) и, так называемый, неупорядоченный клубок. Например, в белке инсулине содержится 57% α - спиральных участков, 6% β- складчатых структур, 10% молекулы уложены в виде β - петлей и 27% молекулы представляют неупорядоченный клубок.
Совокупность первичной, вторичной, третичной структур составляет конформацию белковой молекулы. Прижизненная (нативная) конформация формируется самопроизвольно и её образование носит название фолдинг. Конформация белков очень неустойчива и формируется при участии особых белков – шаперонов (компаньонов). Шапероны способны связываться с частично денатурированными, находящимися в неустойчивом состоянии белками, и восстанавливать их нативную конформацию. Шапероны классифицируют по их молекулярной массе (60 – 100 кд.). Наиболее изучены Ш-60, Ш-70 и Ш-90. Например, Ш-70 взаимодействуют с белками, богатыми гидрофобными радикалами, защищают их от высокотемпературной денатурации. В целом шапероны экранируют основные белки организма, препятствуют денатурации и способствуют формировании конформации, облегчают транспорт денатурированных белков в лизосомы, участвуют в процессе синтеза белков.
По конформации все белки делятся на три группы:
фибриллярные белки: коллаген, эластин, фиброин;
глобулярные белки: гемоглобин, альбумин, глобулин;
смешанные белки: миозин.
Третичная структура присуща всем белкам.

1.5.4. Четвертичная структура белков
Четвертичной структурой обладают белки, состоящие из нескольких полипептидных цепей, ковалентно не связанных друг с другом. Их называют олигомерными белками,. Протомером считается отдельная полипептидная цепь, имеющая три уровня структурной организации, субъединицей – функционально активная часть олигомерного белка. Субъединица может содержать один протомер или несколько протомеров. Четвертичная структура - количество и взаимное расположение субъединиц в олигомерных белках.
В формировании четвертичной структуры участвуют непрочные нековалентные связи (гидрофобные, ионные, водородные). Четвертичная структура белков формируются самопроизвольно и легко нарушается различными воздействиями. Отдельные субъединицы в олигомером белке влияют друг на друга, что приводит к изменению третичной структуры отдельных протомеров. Это явление называется кооперативными изменениями конформации протомеров и сопровождается изменением биологической активности белка.
Олигомерные белки имеют ряд особенностей в сравнении с мономерными белками:
имеют очень компактную укладку и относительно небольшая поверхность раздела, поэтому, располагаясь внутриклеточно, они связывают меньше воды;
их активность в организме регулируется через кооперативность их свойств;
если в синтезе олигомерного белка участвуют однотипные протомеры, это экономит генетический материал (на коротком участке ДНК штампуется несколько одинаковых протомеров);
их потеря клетками менее вероятна;
они функционально более приспособлены для условий организма.
Уникальную функциональность олигомерных белков иллюстрирует сравнение белков гемоглобина и миоглобина, участвующих в переносе кислорода в ткани. Гемоглобин эритроцитов - олигомерный белок, включает 4 полипептидные цепи. Миоглобин мышц – мономерный белок, включает 1 полипептидную цепь. Кривая насыщения кислородом у миоглобина свидетельствует о прямой зависимости её от концентрации кислорода. Для гемоглобина кривая насыщения кислородом носит S-образный характер. Это связано с постепенным последовательным изменением структуры (конформации) каждого из 4-х протомеров в составе гемоглобина, в результате чего резко возрастает сродство гемоглобина к кислороду. Такой характер насыщения гемоглобина кислородом значительно повышает его кислородную ёмкость по сравнению с миоглобином.
Графики насыщения миоглобина и гемоглобина кислородом при перепаде парциального давления кислорода в венозной (В) и артериальной крови (А) представлены
ниже.



1. 5. 5. Доменные белки
Особое положение среди белков занимают доменные белки.
Домены – структурно и функционально обособленные участки одной полипептидной цепи. Домены могут отвечать за взаимодействие белка с различными веществами - лигандами (низкомолекулярные вещества, ДНК, РНК, полисахариды и др.) Примерами доменных белков служат альбумин сыворотки крови, иммуноглобулины, некоторые ферменты (трипсин поджелудочной железы).



В силу высокой избирательности белков они могут объединяться в комплексы, которые чаще всего называются полиферментными комплексами – структурные объединения нескольких ферментов, катализирующих отдельные стадии сложного химического процесса. Например: пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) включает три вида ферментов, катализирующий окисление пировиноградной кислоты (ПВК).
Возможно специфическое соединение не только отдельных белков, но и белков с липидами (жирами) при образовании клеточных мембран, белков с нуклеиновыми кислотами при формировании хроматина.

1. 6. Физико-химические свойства белков
Физико- химические свойства белков зависят от особенностей аминокислотного состава, а также от конформации белковой молекулы. Физико- химические свойства белков проявляются в растворах.
1.6. 1. Растворимость белков
В целом растворимость белков высока, но различна для разных видов белков. На неё влияют следующие факторы:
форма белковой молекулы (глобулярные белки растворимы лучше, чем фибриллярные белки);
характер радикалов аминокислот белка, соотношение полярных и неполярных радикалов (чем больше в составе белка полярных гидрофильных радикалов, тем лучше его растворимость);
свойства растворителя, присутствие солей. Невысокая концентрация солей (KCL, NaCl) иногда повышает растворимость белков. Например, альбумины лучше растворимы в чистой дистиллированной воде, глобулины растворяются только в присутствии 10% солей (KCL, NaCl). Белки соединительной ткани коллаген и эластин не растворимы ни в воде, ни в солевых растворах.

1. 6. 2. Молекулярная масса белков
Молекулярная масса белков достаточно велика, находится в пределах от 60 000 д. до 100 000 д. Например, молекулярная масса гемоглобина – 68 000 д., альбумина сыворотки крови – 66 000 д., рибонуклеазы – около 14 000 д., миозина – 500 000 д.
Методы определения молярной массы белков должны быть щадящими, не разрушающими белковые молекулы. Например, к белкам не применим эбулиоскопический метод, основанный на измерении температуры кипения растворов. Наиболее точными методами определения молекулярной массы белков являются метод ультрацентрифугирования и рентгеноструктурный метод.
Метод ультрацентрифугирования (седиментации) основан на изменении скорости осаждения белков различной молекулярной массы под действием центробежных сил при вращении белковых растворов с большой скоростью. Молекулярная масса белков, под воздействием мощных центробежных сил, создаваемых в ультрацентрифугах выражается в единицах Сведберга (S=10-13c.).
Рентгеноструктурный метод позволяет рассчитать молекулярную массу путём анализа многочисленных рентгеновских снимков молекулы белка.
Электрофоретический метод основан на зависимости скорости передвижения белков в постоянном электрическом поле от молекулярной массы белка (электрофоретическая подвижность выше у белков с меньшей молекулярной массой).
Метод гельфильтрации основан на различной скорости прохождения различных белков через молекулярные гелевые сита, называемые сефадексами.

Схема гель – фильтрации



Крупные молекулы, превышающие размеры пор геля, проходят через гель быстрее, чем более мелкие молекулы белка, которые задерживаются внутри зёрен геля.
Электронномикроскопический метод проводится путём сравнения размеров белковой молекулы с эталонными образцами известной массы.
Химические методы связаны с особенностями химического состава белков.



1.6.3. Размеры и форма белковых молекул
Форма белковых молекул различна. Белковые молекулы по форме могут быть фибриллярными и глобулярными. Фибриллярные белки имеют нитевидную форму молекулы. Они, как правило, не растворимы в воде и в разбавленных солевых растворах. К фибриллярным белкам относятся основные структурные белки соединительной ткани: коллаген, кератин, эластин. У глобулярных белков полипептидные цепи плотно свёрнуты в компактные сферические структуры. Большинство глобулярных белков хорошо растворяются в воде и слабых солевых растворах. К глобулярным белкам относятся ферменты, антитела, альбумины, гемоглобин. Некоторые белки имеют промежуточный вид молекулы, содержат в своём составе и нитевидные, и шаровидные участки. Примером таких белков служит белок мышц миозин, растворимый в солевых растворах.
Размеры белковых молекул находятся в интервале от 1 до 100 нм, близком к размерам коллоидных частиц. В силу этого белковые растворы обладают свойствами, как истинных растворов, так и коллоидных растворов.

1.6.4. Свойства белков, сходные со свойствами коллоидных растворов
Многие молекулярно- кинетические свойства белковых растворов сходны со свойствами коллоидных растворов.
Медленная скорость диффузии белков;
Невозможность прохождения белков через полупроницаемые мембраны. В отсеках с высокой концентрацией белка создаётся избыточное гидростатическое давление, обусловленное односторонним перемещением молекул воды через полупроницаемую мембрану в сторону высокой концентрации белка. Избыточное давление, создаваемое белками, называется онкотическим давлением. Оно является важным фактором, определяющим передвижение воды между тканями, кровью, кишечником;
Высокая вязкость белков обусловлена различными межмолекулярными взаимодействиями крупных белковых молекул. Повышенная вязкость крови, в частности, повышает нагрузку на сердечную мышцу;
Некоторые белки способны образовывать гели, что увеличивает прочность белков (например, коллаген).

1.6.5. Оптические свойства белковых растворов
Оптические свойства белков определяются размерами белковых молекул, структурой радикалов аминокислот в белках, наличием пептидных связей и альфа-спиральных участков в белках.
Белковые растворы обладают эффектом светопреломления (рефракции) и светорассеивания. Данные свойства обусловлены большими размерами белковых молекул, соизмеримыми с длиной волны видимой части спектра.. При этом короткие синие лучи рассеиваются в большей степени, чем более длинноволновые красные лучи. Степень рефракции пропорциональна концентрации белкового раствора.
Белковые растворы поглощают ультрафиолетовые лучи в диапазоне 190-230 нм за счёт присутствия пептидных связей и в диапазоне 260-280 нм за счёт присутствия в белках циклических аминокислот. Степень поглощения УФЛ пропорциональна концентрации белка в растворе.
Белковые растворы способны вращать плоскость поляризованного света, что обусловлено оптической активностью содержащихся в белке аминокислот и наличием в нём альфа-спиральных участков. Изменение угла вращения поляризованного луча свет изменяется при денатурационных воздействиях.

1.6.6. Свойства белков как истинных растворов
Белки, являясь молекулярными растворами, обладают свойствами истинных растворов. Будучи истинными растворами, белковые растворы отличаются высокой устойчивостью. Устойчивость белковым растворам придают два фактора: заряд белковой молекулы и гидратная оболочка.

1.6.6. 1. Заряд белковой молекулы
Появление заряда на молекулах белков связано с его амфотерными свойствами (наличием кислотных и основных свойств). Группы, способные приобретать заряды, называются ионогенными. К ним относятся СООН - группы глютамата, аспартата, СООН - группы С-концевых аминокислот, NH2 - группы лизина, аргинина, α- NH2. - группы N-концевых аминокислот, азот имидазольного кольца гистидина. В очень незначительной степени ионизируются –SH группы цистеина и –OH группы тирозина. Ионизация различных функциональных групп белка групп определяется величиной рН среды.
Ионизация кислотных групп (СООН - группы – доноры Н+).
При рН = 2-4 половина карбоксильных групп в белках находится в ионизированном состоянии (–СОО-), половина – в неионизированном виде(–СООН). При физиологических значениях рН в интервале 7,35 – 7,45 (щелочная среда) карбоксильные группы,полностью ионизированы и определяют отрицательный заряд белковой молекулы.



Ионизация щелочных групп (NH2 -группы - акцепторы Н+)
При рН около 10 половина аминогрупп белков ионизирована, а половина не ионизирована. При физиологических величинах рН =7.4 (более кислая среда) преобладает ионизированная форма аминогрупп (NH3+), придающая белковым молекулам положительный заряд.



Кислотно-основные свойства белков и аминокислот изучают методам потенциометрического титрования. Изменение ионизации белка при разных значениях рН имеет вид графика, приведенного ниже.




Из всех аминокислот только гистидин обладает буферными свойствами при рН = 6-7. Входя в состав белка гемоглобина, гистидин определяет его буферные свойства, необходимые для связывания кислорода.
Изменениями величины рН среды белок можно перевести в особое изоэлектрическое (электронейстральное) состояние, в котором сумма положительных зарядов равна сумме отрицательных зарядов, а молекула в целом электронейтральна
(+Н3N - белок - СОО-). Значение рН, при котором молекула белка электронейтральна, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ). Для большинства белков изоэлектрическая точка находится в кислой среде (рН = 5-5,5). В то же время для гистонов ИЭТ находится в щелочной среде (рН= 9-11). В изоэлектрическом состоянии белки менее устойчивы, чем при наличии зарядов, поскольку одинаковый по знаку заряд белковой молекулы является фактором электростатического отталкивания белковых молекул, определяет ионные связи в белках и формирует наиболее устойчивую конформацию белковой молекулы.
Таким образом, заряд белковой молекулы является одним из стабилизирующим фактором, препятствующим осаждению белков из растворов.

1.6.6.2. Формирование гидратной (водной) оболочки
Белки обычно имеют такую пространственную укладку, при которой гидрофобные группы прячутся в глубине белковой молекулы, а гидрофильные находятся на поверхности молекулы. К гидрофильным группам относятся – СООН, –NH2, –SH, –ОН, пептидная связь, карбонильная группа. К гидрофильным группам притягиваются диполи Н2О, в результате чего вокруг белковой молекулы формируется защитная водная шуба, которая препятствует самоукрупнению белковых молекул и осаждению их из растворов. Вода, входящая в состав гидратных оболочек, называется связанной водой. Она отличается по физическим свойствам и определяет биологическую активность биополимеров.
Таким образом, гидратная оболочка белковых молекул является вторым мощным стабилизирующим фактором белковых растворов.
Если каким-то воздействием убрать один или оба стабилизирующие факторы, то белки выпадают в осадок (происходит осаждение белков).

1.7. Осаждение белков из растворов
Изоэлектрическое осаждение - при приближении рН раствора к изоэлектрической точке, белок теряет заряд и осаждается из раствора (пример: осаждение казеина молока при его скисании). Этот процесс осаждения в начальных стадиях носит обратимый характер и может быть использован для разделения белков.
Дегидратация – снятие водной оболочки белковой молекулы при добавлении дегидратирующих средств (спирт, ацетон). Этот процесс также обратим, и используется для разделения белков.
Высаливание – осаждение белков концентрированными растворами электронейтральных или слабокислых солей, таких как NaCl, KCl, (NH4)2SO4.. Механизм высаливания заключается в обратимом снятии с белковой молекулы двух стабилизирующих факторов. Высаливающие вещества содержат в своем составе гидрофильные катионы и анионы, которые снимают водную оболочку с белка. При добавлении (NH4)2SO4 в растворе возникает слабокислая реакция и рН приближается к изоэлектрической точке, что уменьшает заряд молекулы белка. Высаливание не нарушает структуры белка и является полностью обратимым процессом, вследствие чего используется для разделения белков, а также для их концентрирования.
Денатурация – нарушение физико-химических свойств белка, его биологической активности при воздействии факторов, разрушающих вторичную, третичную, четвертичную структуры белка.
При денатурации белковая молекула теряет свою прижизненную (нативную) структуру и переходит в форму неупорядоченного клубка, на поверхности которого располагается много гидрофобных групп, что резко снижает растворимость белка.
Признаками денатурации являются:
выпадение осадка;
изменение оптических свойств;
изменение активности его химических групп и конформации белковой молекулы;
снижение биологической активности;
более быстрое расщепление ферментами пептидазами.
К денатурирующим факторам относятся химические факторы (минеральные и органические кислоты, соли тяжелых металлов, алкалоиды, высокая концентрация мочевины); физические факторы (высокая температура, рентгеновское излучение, УФЛ).
На начальных стадиях денатурация носит обратимый характер и возможна ренатурация – восстановление структуры белка. При продолжительном действии денатурирующих факторов она приобретает необратимый характер. Денатурацию белков применяют для обнаружения белков в растворах и биологических жидкостях, для удаления белков из биологических жидкостей при проведении биохимических исследований.

1.8. Методы количественного определения белков
Для определения концентрации белков в биологических жидкостях и растворах используются оптические, колориметрические и азотометрические методы.
Оптические методы основаны на оптических свойствах белков. К ним относятся:
спектрофотометрические методы, оценивающие интенсивность поглощения белками УФ лучей в диапазоне около 200 нм и 260 нм. Степень УФЛ - поглощения пропорциональна концентрации белка;
рефрактометрические методы основаны на способности растворов белков преломлять свет пропорционально их концентрации;
нефелометрические методы основаны на способности растворов белков рассеивать свет пропорционально их концентрации;
поляриметрические методы основаны на способности растворов белков вращать плоскость поляризованного света пропорционально их концентрации.
Колориметрические методы основаны на цветных реакциях белков – биуретовая реакция, метод Лоури, метод сорбции белками определённых красителей. Интенсивность окраски определяется концентрацией белкового раствора.
Азотометрические методы основаны на определении содержания азота и пересчёте его на концентрацию белка (в белках 16% азота).
1.9. Выделение, фракционирование и очистка белков
Выделение белков из тканей включает несколько этапов.
1.Гомогенизация (измельчение) ткани для разрушения клеточных и внутриклеточных мембран, препятствующих выделению белков. В процессе гомогенизации нередко добавляются детергенты.
2.Экстрагирование (растворение) белков проводят чаще всего слабыми солевыми растворами.
3.Отделение низкомолекулярных веществ (солей) методом диализа с использованием полупроницаемых мембран, методом гель - фильтрации.
4.Очистка белка от сопутствующих белков (фракционирование), основанная на различных физико-химических свойствах белков.
а) ультрацентрифугирование – разделение белков по молекулярной массе;
б) электрофорез – разделение белков по заряду молекулы и молекулярной массе;
в) фракционное высаливание – подбор концентрации соли для осаждения различных белков;
г) хроматографические методы разделения:
распределительная хроматография – по различной растворимости белков;
гель-фильтрация – по различной молекулярной массе белков
ионообменная хроматография – по разнице зарядов белковых молекул
аффинная хроматография – по химическим свойствам различных белков
5.Выделение белка в кристаллическом состоянии проводится путём лиофилизации (высушивании) при низкой температуре.

1.10. Классификация белков
Огромное количество белков в организме, многообразие их свойств и биологических функций определяют сложности их систематики.
Предложены различные классификации белков по структурному, функциональному принципам.
На сегодняшний день о белках известно слишком много, чтобы удовлетворится старой классификацией, и слишком мало для того, чтобы составить лучшую классификацию - такое определение состояния вопроса о классификации белков остаётся актуальным до настоящего времени.
В практическом отношении достаточно удобна классификация белков, учитывающая особенности их химического состава и физико–химических свойств. Согласно этой классификации, все белки делят на 2 группы: простые (протеины) и сложные (протеиды)

1.10.1. Простые белки (протеины)
К протеинам (простым белкам) относят белки, состоящие только из аминокислот.
Они, в свою очередь, делятся на группы в зависимости от физико-химических свойств и особенностей аминокислотного состава. Выделяют следующие группы простых белков:
альбумины;
глобулины;
протамины;
гистоны;
проламины;
глютелины;
протеиноиды

Альбумины
Альбумины – широко распространённая группа белков в тканях организма человека.
Они имеют сравнительно невысокую молекулярную массу 50 – 70 тыс. д. Альбумины в физиологическом диапазоне рН имеют отрицательный заряд, так как в силу высокого содержания глютаминовой кислоты в их составе находятся в изоэлектрическом состоянии при рН 4,7. Имея невысокую молекулярную массу и выраженный заряд, альбумины перемещаются при электрофорезе с достаточно высокой скоростью. Аминокислотный состав альбуминов разнообразен, они содержат весь набор незаменимых аминокислот. Альбумины – высоко гидрофильные белки. Они растворимы в дистиллированной воде. Вокруг молекулы альбуминов формируется мощная гидратная оболочка, поэтому для высаливания их из растворов необходима высокая 100% концентрация сульфата аммония. Альбумины выполняют в организме структурную, транспортную функцию, участвуют в поддержании физико–химических констант крови.



Глобулины
Глобулины – широко распространённая гетерогенная группа белков, обычно сопутствующая альбуминам. Они имеют более высокую, чем альбумины молекулярную массу – до 200 и более тыс. д. Поэтому медленнее перемещаются при электрофорезе. Изоэлектрическая точка глобулинов находится при рН 6,3 – 7. Они отличаются разнообразным набором аминокислот. Глобулины не растворимы в дистиллированной воде, но растворимы в солевых растворах КCl, NaCl в концентрации 5 – 10 %. Глобулины менее гидратированы, чем альбумины, поэтому высаливаются из растворов уже при 50% насыщении сульфатом аммония. Глобулины в организме выполняют структурную, защитную, транспортнуе функции.

Гистоны
Гистоны имеют небольшую молекулярную массу 11-24 тыс. д. Они богаты щелочными аминокислотами лизином и аргинином, поэтому находятся в изоэлектрическом состоянии в резко щелочной среде при рН 9,5 – 12. В физиологических условиях гистоны имеют положительный заряд. В различных видах гистонов содержание аргинина и лизина варьирует, в связи с чем они делятся на 5 классов. Гистоны Н1 и Н2 богаты лизином, гистоны Н3- аргинином. Молекулы гистонов полярны, очень гидрофильны, поэтому с трудом высаливаются из растворов. В клетках положительно заряженные гистоны, как правило, связаны с отрицательно заряженными ДНК в составе хроматина. Гистоны в хроматине формируют остов, на который накручивается молекула ДНК. Основные функции гистонов – структурная и регуляторная.

Протамины
Протамины – низкомолекулярные щелочные белки. Молекулярная масса их составляет 4 – 12 тыс. д. Протамины в своём составе содержат до 80% аргинина и лизина. Они содержатся в составе таких нуклеопротеидов молоки рыб как клупеин (сельдь), скумбрин (скумбрия).

Проламины, глютелины
Проламины, глютелины – растительные белки, богатые глютаминовой кислотой (до 43%) и гидрофобными аминокислотами, в частности, пролином (до 10 – 15%). В силу особенностей аминокислотного состава проламины и глютелины не растворимы в воде и солевых растворах, но растворимы в 70% этиловом спирте. Проламины и глютелины являются пищевыми белками злаковых культур, составляя так называемые глютеновые белки. К глютеновым белкам относятся секалин (рожь), глиадин (пшеница), гордеин (ячмень), авенин (овёс). В детском возрасте может наблюдаться непереносимость глютеновых белков, к которым в лимфоидных клетках кишечника вырабатываются антитела. Развивается глютеновая энтеропатия, снижается активность кишечных ферментов. В связи с этим, злаковые отвары детям рекомендуется вводить после 4-х месячного возраста. Не содержат глютеновых белков рис и кукуруза.

Протеиноиды
Протеиноиды (белковоподобные) – фибриллярные, водонерастворимые белки опорных тканей (костей, хрящей, сухожилий, связок). Они представлены коллагеном, эластином, кератином, фиброином.
Коллаген (рождающий клей) – широко распространённый в организме белок, составляет около трети всех белков организма. Входит в состав костей, хрящей, зубов, сухожилий и других видов соединительной ткани.
К особенностям аминокислотного состава коллагена относится, прежде всего, высокое содержание глицина (1/3 всех аминокислот), пролина (1/4 всех аминокислот), лейцина. В составе коллагена присутствуют редкие аминокислоты гидроксипролин и гидроксилизин, но отсутствуют циклические аминокислоты.
Полипептидные цепи коллагена содержит около 1000 аминокислот. Различают несколько видов коллагена в зависимости от сочетания в нём различных видов полипептидных цепей. К фибриллообразующим видам коллагена относятся коллаген первого типа (преобладает в коже), коллаген второго типа (преобладает в хрящах) и коллаген третьего типа (преобладает в сосудах). У новорожденных детей основная масса коллагена представлена III типом, у взрослых людей- II и I типами.
Вторичная структура коллагена представляет особую ломаную альфа-спираль, в витке которой укладывается 3,3 аминокислоты. Шаг спирали равен 0,29 нм.
Три полипептидные цепи коллагена уложены в виде тройного закрученного каната, фиксированного водородными связями, и образуют структурную единицу коллагенового волокна – тропоколлаген. Тропоколлагеновые структуры размещаются параллельными, смещёнными по длине рядами, фиксированными ковалентными связями, и формируют коллагеновое волокно. В промежутках между тропоколлагеном в костной ткани откладывается кальций. Коллагеновые волокна содержат в своём составе углеводы, которые стабилизируют коллагеновые пучки.
Кератины - белки волос, ногтей. Они не растворимы в растворах солей, кислот, щелочей. В составе кератинов имеется фракция, которая содержит большое количество серосодеоржащих аминокислот (до 7 – 12%), образующих дисульфидные мостики, придающие высокую прочность этим белкам. Молекулярная масса кератинов очень высока, достигает 2000000 д. Кератины могут иметь α– структуру и β- структуру. В α - кератинах три α - спирали объединяются в суперспираль, формирующую протофибриллы. Протофибриллы объединяются в профибриллы, затем в макрофибриллы. Примером β - кератинов является фиброин шёлка.
Эластин – белок эластических волокон, связок, сухожилий. Эластин не растворим в воде, не способен к набуханию. В эластине высока доля глицина, валина, лейцина (до 25 – 30%). Эластин способен растягиваться под действием нагрузки и восстанавливать свои размеры после снятия нагрузки. Эластичность связана с присутствием в эластине большого количества межцепочечных сшивок при участии аминокислоты лизина. Две цепи образуют связь лизил – норлейцин, четыре цепи образуют связь – десмозин.

1.10.2. Сложные белки (протеиды)
К сложным белкам (протеидам) относят белки, в которых помимо белковой части содержатся небелковые вещества (простетические группы).
Сложные белки классифицируют по химическому составу их простетической группы.
Выделяют следующие группы сложных белков:
1. хромопротеиды;
2. нуклеопротеиды;
3. липопротеиды;
4. гликопротеиды;
5. фосфопротеиды;
6. металлопротеиды

Хромопротеиды
Хромопротеиды содержат в качестве простетической группы окрашенные небелковые соединения. В группе хромопротеидов выделяют гемопротеиды и флавопротеды.
В гемопоротеидах простетической группой является гем – органическое, железосодержащее вещество, придающее белку красный цвет. Гем соединяется с белком глобином за счёт координационных и гидрофобных связей. Примерами гемопротеидов являются белок эритроцитов гемоглобин, белок мышц миоглобин, тканевые белки цитохромы, ферменты каталаза, пероксидаза. Гемопротеиды участвуют в переносе кислорода и в окислительных процессах в тканях.
В флавопротеидах содержится простетическая группа жёлтого цвета. В качестве простетической группы могут быть представлены нуклеотиды ФАД, ФМН. К флавопротеидам относится фермент сукцинатдегидрогеназа. Некоторые флавопротеиды содержат в своём составе металлы – металлофлавопротеиды. Флавопротеиды участвуют в окислительных процессах в организме.
Нуклеопротеиды
Нуклеопротеиды состоят из белковой части и нуклеиновых кислот: ДНК или РНК. В ядре локализованы дезоксирибонуклеопротеиды, в цитозоле – рибонуклеопротеиды. Белки в нуклепротеидах ядра представлены в основном гистонами. Белковая и небелковые части нуклеопротеидов связаны ионными и гидрофобными связями. При полном гидролизе нуклеопротеидов образуются аминокислоты, фосфорная кислота, углевод и пуриновые или пиримидиновые азотистое основания. Нуклеопротеиды участвуют в хранении и воспроизведении генетической информации.

Липопротеиды
Липопротеиды в качестве простетической группы содержат различные липиды (триацилглицерины, фосфолипиды, холестерин и др.). Между белком и липидом формируются гидрофобные и ионные связи. Липопротеиды принято делить на структурные, входящие в состав клеточных мембран, и транспортные, осуществляющие перенос липидов кровью. Транспортные липопротеиды представляют собой сферические частицы, внутри которых находятся гидрофобные жиры, а на поверхности – фосфолипиды и гидрофильные белки. Примером липопротеида может служить фактор свёртывания крови – тромбопластин.

Фосфопротеиды
Фосфопротеиды содержат остатки фосфорной кислоты, соединённые с радикалами остатков серина, реже треонина белковой части сложноэфирными связями. Присоединение фосфорной кислоты к белку может носить обратимый характер и сопровождаться формированием или разрывом ионных связей фосфорной кислоты и заряженных групп белка, что меняет структуру и биологическую активность фосфопротеида. К фосфопротеидам относятся структурные белки костной ткани, казеиноген молока, ововителлин белка куриного яйца, некоторые ферменты (фосфорилаза, гликогенсинтетаза, ТАГ-липаза).

Гликопротеиды
Гликопротеиды содержат, как правило, прочно присоединенные гликозидными связями остатки углеводов (моносахаридов, олигосахаридов). Гликопротеиды обычно имеют мозаичную структуру, в которой чередуются углеводные и белковые фрагменты.
Углеводная часть придаёт специфичность гликопротеидам и определяет их устойчивость к тканевым ферментам. Гликопротеиды широко представлены в организме человека. Они содержатся как в тканях, так и в биологических жидкостях. Муцин слюны содержит в своём составе до 15% маннозы и галактозы. Гликопротеидами являются некоторые гормоны, например, гонадотропины гипофиза. Некоторые транспортные белки крови относятся к гликопротеидам (трансферрин). Гликопротеидом является фактор свёртывания крови фибриноген, Все виды иммуноглобулинов содержат углеводные фрагменты. Углеводы придают специфичность тканевым рецепторам. Адгезивные белки (фибронектин, ламинин), будучи гликопротеидами, обеспечивают взаимодействие клеток, волокон, гликозаминогликанов соединительной ткани.

Металлопротеиды
Металлопротеиды – сложные белки, в состав которых входят металлы. Например, гемосидерин и ферритин содержат железо, фермент алкогольдегидрогеназа содержит цинк.
В последнее время появилась классификация белков на семейства - группы близких по структуре и функциям белков, имеющие гомологичные последовательности аминокислот. Например, выделяют семейство сериновых протеаз, содержащих в активном центре аминокислоту серин и участвующих в расщеплении различных белков. В это семейство входят трипсин, химотрипсин, эластаза, многие ферменты свёртывания крови (тромбин), антисвёртывающей системы (фибринолизин). Семейство иммуноглобулинов включает все виды основных и минорных иммуноглобулинов. Иммуноглобулины имеют вилкообразную структуру, состоящую из двух тяжелых (Н) цепей и двух лёгких цепей (L). Иммуноглобулины, в свою очередь, входят в состав суперсемейства, включающего иммуноглобулины, рецепторы к Т-антигенам, белки гистиосовместимости.

2. СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ

2.1. Краткая история ферментологии
Экспериментальное изучение ферментов в 19 веке совпало по времени с изучением процессов дрожжевого брожения, что нашло отражение в терминах ферменты и энзимы. Название ферменты возникло от латинского слова fermentatio – брожение. Термин энзимы произошёл от понятия en zyme - из дрожжей. Вначале этим названиям придавали разный смысл, но в настоящее время они являются синонимами.
Первая ферментативная реакция осахаривания крахмала солодом была исследована отечественным учёным К.С. Кирхгоффом в 1814 году. Впоследствии были предприняты попытки выделения ферментов из дрожжевых клеток (Э. Бюхнер, 1897 год). В начале ХХ века Л. Михаэлис и М. Ментен разработали теорию ферментативного катализа. В 1926 году Д. Самнер впервые выделил очищенный препарат фермента уреазы в кристаллическом состоянии. В 1966 году Б. Меррифилду удалось осуществить искусственный синтез фермента РНК-азы.

2.2. Структура ферментов
Ферменты – это высокоспециализированные белки, способные повышать скорость реакции в живых организмах. Ферменты - биологические катализаторы.
Все ферменты являются белками, как правило, глобулярными. Они могут относиться как к простым, так и к сложным белкам. Белковая часть фермента может состоять из одной полипептидной цепи и относиться к мономерным белкам (например, пепсин). Ряд ферментов являются олигомерными белками, включают в свой состав несколько протомеров или субъединиц. Протомеры, объединяясь в олигомерную структуру, соединяются самопроизвольно непрочными нековалентными связями. В процессе объединения (кооперации) происходят структурные изменения отдельных протомеров, в результате чего активность фермента заметно возрастает. Отделение (диссоциация) протомеров и их объединение в олигомерный белок является механизмом регуляции активности ферментов.
Субъединицы (протомеры) в олигомерах могут быть или одинаковыми или отличающимися по первичной - третичной структуре (конформации). В случае соединения различных протомеров в олигомерную структуру фермента возникают множественные формы одного и того же фермента – изоферменты.
Изоферменты катализируют одну и ту же реакцию, но отличаются по набору субъединиц, физико-химическим свойствам, электрофоретической подвижности, по сродству к субстратам, активаторам, ингибиторам. Например, лактатдегидрогеназа (ЛДГ) – фермент, окисляющий молочную кислоту в пировиноградную кислоту, является тетрамером. Он состоит из четырёх протомеров двух типов. Один вид протомеров обозначается Н (выделен из сердечной мышцы), второй протомер обозначается М (выделен из скелетной мускулатуры). Возможно 5 сочетаний этих протомеров в составе ЛДГ: Н4, Н3М, Н2М2, Н1М3, М4 соответственно ЛДГ1, ЛДГ2,ЛДГ3,ЛДГ4, ЛДГ5.
Биологическая роль изоферментов.
Изоферменты обеспечивают протекание химических реакций в соответствии с условиями в разных органах. Так, изофермент ЛДГ1 – обладает высоким сродством к кислороду, поэтому он активен в тканях с высокой скоростью окислительных реакций (эритроциты, миокард). Изофермент ЛДГ5 активен в присутствии высокой концентрации лактата, наиболее характерен для ткани печени.
Выраженная органоспецифичность изоферментов используется для диагностики заболеваний различных органов.
Изоферменты изменяют свою активность с возрастом. Так, у плода при недостатке кислорода преобладает ЛДГ3, а с увеличением возраста, увеличением поступления кислорода возрастает доля ЛДГ2.
Если фермент является сложным белком, то он состоит из белковой и небелковой части. Белковая часть является высокомолекулярной, термолябильной частью фермента и называется апоферментом. Он имеет своеобразную структуру и определяет специфичность ферментов.
Небелковая часть фермента называется кофактором (коферментом). Кофактором чаще всего являются ионы металлов, которые могут прочно связываться с апоферментом (например, Zn в ферменте карбоангидразе, Сu в ферменте цитохромоксидазе). Коферменты обычно являются органическими веществами, менее прочно связанными с апоферментом. Коферментами являются в частности нуклеотиды НАД, ФАД. Кофермент – низкомолекулярная, термостабильная часть фермента. Его роль заключается в том, что он определяет пространственную укладку (конформацию) апофермента, и определяет его активность. Некоторые кофакторы могут переносить электроны, функциональные группы, участвовать в образовании дополнительных связей между ферментом и субстратом.
В функциональном отношении в ферменте принято выделять два важных участка в молекуле фермента: активный центр и аллостерический участок.
Активный центр – это участок молекулы фермента, который взаимодействует с субстратом и участвует в каталитическом процессе. Активный центр фермента образован радикалами аминокислот, удалённых друг от друга в первичной структуре. Активный центр имеет трёхмерную укладку, чаще всего в его составе выявляются
- ОН группы серина
- SH – цистеина
- NH2 лизина
- γ-СООН глютаминовой кислоты

Схема активного центра фермента

В активном центре различают две зоны – зону связывания с субстратом и каталитическую зону.
Зона связывания обычно имеет жёсткую пространственную структуру, к которой комплементарно присоединяется субстрат реакции. Например, трипсин расщепляет белки в участках, богатых положительно заряженной аминокислотой лизином, так как в его зоне связывания содержатся остатки отрицательно заряженных аспарагиновой и глютаминовой кислот.
Каталитическая зона - это участок активного центра, непосредственно воздействующий на субстрат и осуществляющий каталитическую функцию. Эта зона более подвижна, в ней возможно изменение взаиморасположения функциональных групп.
В ряде ферментов (чаще олигомерных) кроме активного центра присутствует аллостерический участок – участок молекулы фермента, удалённый от активного центра и взаимодействующий не с субстратом, а с дополнительными веществами (регуляторами, эффекторами). В аллостерических ферментах в одной субъединице может находиться активный центр, в другой - аллостерический участок. Аллостерические ферменты изменяют свою активность следующим образом: эффектор (активатор, ингибитор) действует на аллостерическую субъединицу и изменяет её структуру. Затем изменение конформации аллостерической субъединицы по принципу кооперативных изменений опосредованно меняет структуру каталитической субъединицы, что сопровождается изменение активности фермента.

2.3. Механизм действия ферментов
Ферменты обладают рядом общекаталитических свойств:
не смещают каталитическое равновесие;
не расходуются в процессе реакции;
катализируют только термодинамически реальные реакции. Такими реакциями являются те, в которых исходный энергетический запас молекул больше, чем финальный.
В ходе реакции преодолевается высокий энергетический барьер. Разница между энергией этого порога и исходным энергетическим уровнем - энергия активации.



Скорость ферментативных реакций определяется энергией активации и рядом других факторов.
Константа скорости химической реакции определяется по уравнению:

К - константа скорости реакции;
Р – пространственный (стерический) коэффициент;
Z – количество взаимодействующих молекул;
Еа – энергия активации;
R – газовая постоянная;
Т – универсальная абсолютная температура;
е – основание натуральных логарифмов.
В этом уравнении Z, е, R, T – постоянные величины, а Р и Еа - переменные. Причём, между скоростью реакции и стерическим коэффициентом зависимость прямая, а между скоростью и энергией активации – обратная и степенная зависимость (чем ниже Еа, тем выше скорость реакции).
Механизм действия ферментов сводится к увеличению ферментами стерического коэффициента и уменьшению энергии активации.
Снижение ферментами энергии активации
Например, энергия расщепления Н2О2 без ферментов и катализаторов – 18000 ккал на моль. Если в качестве катализатора используется платина при высокой температуре, энергия активации снижается до 12000 ккал/моль. При участии фермента каталазы энергия активации составляет лишь 2000 ккал/моль.
Уменьшение Еа происходит в результате образования промежуточных фермент-субстратных комплексов по схеме: F+S <=> FS-комплекс → F + продукты реакции. Впервые возможность образования фермент- субстратных комплексов была доказана
Л. Михаэлисом, М. Ментеном. Впоследствии многие фермент-субстратные комплексы были выделены. Для объяснения высокой избирательности ферментов при взаимодействии с субстратом предложена теория ключа и замка Э Фишера. Согласно ей, фермент взаимодействует с субстратом только при абсолютном соответствии их друг другу (комплементарность) наподобие ключа и замка. Данная теория объясняла специфичность ферментов, но не раскрывала механизм их воздействия на субстрат. Позже разработана теория индуцированного соответствия фермента и субстрата - теория Д. Кошланда (теория резиновой перчатки). Её суть состоит в следующем: активный центр фермента сформирован и содержит все функциональные группы ещё до взаимодействия с субстратом (положение 1 на рисунке). Однако эти функциональные группы находятся в неактивном состоянии. В момент присоединения субстрата он индуцирует изменение положения, структуры радикалов в активном центре фермента. В результате активный центр фермента под действием субстрата переходит в активное состояние и, в свою очередь, начинает воздействовать на субстрат, т.е. происходит взаимодействие активного центра фермента и субстрата (положение 2 на рисунке). Вследствие этого субстрат переходит в нестабильное, неустойчивое состояние, что ведёт к уменьшению энергии активации и образованию продуктов реакции с переходом структуры активного центра в исходное состояние (положение 3 на рисунке).

1 2 3

Взаимодействие фермента и субстрата может заключаться в реакциях нуклеофильного замещения, электрофильного замещения, дегидратации субстрата. Возможно также кратковременное ковалентное взаимодействие функциональных групп фермента с субстратом. В основном происходит геометрическая переориентация функциональных групп активного центра.

Увеличение ферментами стерического коэффициента
Стерический коэффициент вводится для реакций, в которых участвуют крупные молекулы, имеющие пространственную структуру. Стерический коэффициент показывает долю удачных пространственно соответствующих столкновений активных молекул. Например, он равен 0,4, если 4 из 10 столкновений активных молекул привели к образованию продукта реакции.



Ферменты увеличивают стерический коэффициент, так как они изменяют строение молекулы субстрата в фермент - субстратном комплексе, в результате чего комплементарность фермента и субстрата возрастает. Кроме того, ферменты за счёт своих активных центров упорядочивают расположение молекул субстрата в пространстве (до взаимодействия с ферментом молекулы субстрата располагаются хаотично) и облегчают протекание реакции.

2.4. Номенклатура ферментов
Ферменты имеют несколько типов названий.
Тривиальные названия (трипсин, пепсин).
Рабочая номенклатура. В этом названии фермента присутствует окончание – аза, которое прибавляется:
к названию субстрата (сахараза, амилаза);
к виду связи, на которую действует фермент (пептидаза, гликозидаза);
к типу реакции, процесса (синтетаза, гидролаза).
3) У каждого фермента есть классификационное название, в котором отражается тип реакции, вид субстрата и кофермента. Например: ЛДГ – L лактат-НАД+ - оксидоредуктаза.

2.5. Классификация ферментов
Классификация ферментов разработана в 1961 году. Согласно классификации каждый фермент расположен в определённом классе, подклассе, подподклассе и имеет порядковый номер. В связи с этим каждый фермент имеет цифровой шифр, в котором первая цифра обозначает класс, вторая – подкласс, третья – подподкласс, четвертая – порядковый номер (ЛДГ: 1.1.1.27.). Все ферменты классифицируются на 6 классов:
Оксидоредуктазы.
Трансферазы.
Гидролазы.
Лиазы.
Изомеразы.
Синтетазы (лигазы).

Оксидоредуктазы
Ферменты, катализирующие окислительно - востановительные процессы. Общий вид реакции: Аок + Ввос = Авост + Вок. Этот класс ферментов включает несколько подклассов:
1. Дегидрогиназы, катализируют реакции путём отщепления водорода от окисляемого вещества. Они могут быть аэробными (переносят водород на кислород) и анаэробными (переносят водород не на кислород, а на какое-то другое вещество).
2. Оксигеназы - ферменты катализирующие окисление путём присоединения кислорода к окисляемому веществу. Если присоединяется один атом кислорода, участвуют монооксигеназы, если два атома кислорода – диоксигеназы.
3. Пероксидазы – ферменты, катализирующие окисление веществ с участием пероксидов.


Трансферазы
Ферменты, осуществляющие внутримолекулярный и межмолекулярный перенос функциональных групп с одного вещества на другое по схеме: АВ + С = А + ВС. Подклассы трансфераз выделяют в зависимости от вида переносимых групп: аминотрансферазы, метилтрансферазы, сульфотрансферазы, ацилтрансферазы (переносят остатки жирных кислот), фосфотрансферазы (переносят остатки фосфорной кислоты).

Гидролазы
Ферменты данного класса катализируют разрыв химической связи с присоединением воды по месту разрыва, то есть реакции гидролиза по схеме: АВ + НОН = АН + ВОН. Подклассы гидролаз выделяют в зависимости от вида разрываемых связей: пептидазы расщепляют пептидные связи (пепсин), гликозидазы - гликозидные связи (амилаза), эстеразы – сложноэфирные связи (липаза).

Лиазы
Лиазы катализируют разрыв химической связи без присоединения воды по месту разрыва. При этом в субстратах образуются двойные связи по схеме: АВ = А + В. Подклассы лиаз зависят от того, между какими атомами разрывается связь и какие вещества образуются. Альдолазы катализируют разрыв связи между двумя атомами углерода (например, фруктоза 1,6-ди-фосфатальдолаза разрезает фруктозу на две триозы). К лиазам относят ферменты декарбоксилазы (отщепляют углекислый газ), дегидратазы (вырезают молекулы воды).

Изомеразы
Изомеразы катализируют взаимопревращения различных изомеров. Например, фосфогексоизимераза переводит фруктозу в глюкозу. К подклассам изомераз относятся мутазы (фосфоглюкомутаза переводит глюкозо- 1- фосфат в глюкозо-6-фосфат), эпимеразы (например, переводят рибозу в ксилулозу), таутомеразы

Синтетазы (лигазы).
Ферменты данного класса катализируют реакции синтеза новых веществ за счёт энергии АТФ по схеме: А + В + АТФ = АВ. Например, глютаминсинтетаза катализирует взаимодействие глютаминовой кислоты, NH3, при участии АТФ с образованием глютамина.

2.6. Свойства ферментов
Ферменты, помимо общих свойств с неорганическими катализаторами имеют определённые отличия от неорганических катализаторов. К ним относятся: более высокая активность, более высокая специфичность, более мягкие условия для катализа, способность к регуляции активности.

2.6.1. Высокая каталитическая активность ферментов
Ферменты отличаются высокой каталитической активностью. Например, одна молекула карбоангидразы за одну минуту катализирует образование (или расщепление) 36 миллионов молекул угольной кислоты (Н2СО3). Высокая активность ферментов объясняется механизмом их действия: они уменьшают энергию активации и увеличивают пространственный (стерический коэффициент). Высокая активность ферментов имеет важное биологическое значение, состоящее в том, что они обеспечивают высокую скорость химических реакций в организме.
2.6.2. Высокая специфичность ферментов
Все ферменты обладают специфичностью, однако степень специфичности в разных ферментах различна. Выделяют несколько видов специфичности ферментов.
Абсолютная субстратная специфичность, при которой фермент действует только на одно определённое вещество. Например, фермент уреаза расщепляет только мочевину.
Абсолютная групповая специфичность, при которой фермент оказывает один и тот же каталитический эффект на группу соединений, близких по структуре. Например, фермент алкогольдегидрогеназа окисляет не только С2Н5ОН, но и его гомологи с большим числом углеродных атомов,
Относительная групповая специфичность, при которой фермент осуществляет катализ разных классов органических веществ. Например, фермент трипсин проявляет пептидазную и эстеразную активность.
Стереохимическая специфичность (оптическая специфичность), при которой расщепляется только определённая форма изомеров (D, L формы, α, β, цис - трансизомеры). Например, ЛДГ действует только на L-лактат, L-аминокислотоксидазы действуют на L-изомеры аминокислот.
Высокая специфичность объясняется уникальной для каждого фермента структурой активного центра. Она имеет важное биологическое значение, поскольку обеспечивает упорядоченность химических процессов в организме. Специфичность ферментов лежит в основе их обнаружения в тканях и биологических жидкостях.

2.6.3. Термолябильность ферментов
Термолябильность - зависимость активности ферментов от температуры. При повышении температуры от 00 до 400 С активность ферментов возрастает согласно правилу Вант-Гоффа (при возрастании температуры на 10 градусов скорость реакции увеличивается в 2 – 4 раза). При дальнейшем повышении температуры активность ферментов начинает снижаться, что объясняется тепловой денатурацией белковой молекулы фермента.
Графически термозависимость ферментов представлена на рисунке:
Инактивация фермента при 00 С обратима, а при высокой температуре инактивация приобретает необратимый характер. Это свойство ферментов определяет максимальную скорость реакции в условиях температуры тела человека. Термолябильность ферментов должна учитываться в практической медицинской деятельности. Например, при проведении ферментативной реакции in vitro, необходимо создавать оптимальную температуру. Это свойство ферментов может быть применено в криохирургии, когда сложная длительная операция проводится при снижении температуры тела, что замедляет скорость протекающих в организме реакций, снижает потребление кислорода тканями. Хранить ферментативные препараты необходимо при пониженной температуре. Для разрушения ферментов микроорганизмов используют высокие температуры (автоклавирование операционного материала, кипячение инструментария).

2.6.4. Фотолябильность ферментов
Фотолябильность – чувствительность ферментов к действию ультрафиолетовых лучей. УФЛ вызывают фотоденатурацию белковых молекул и уменьшают активность ферментов. Это свойство ферментов используют в бактерицидном эффекте ультрафиолетовых ламп.

2.6.5. Зависимость активности ферментов от рН.
У всех ферментов есть определённый интервал рН, в котором активность фермента максимальна - оптимум рН. Для многих ферментов оптимум около 7. В то же время, для пепсина оптимальная среда 1-2, для щелочной фосфатазы около 9. При отклонении рН от оптимума активность фермента снижается, что видно из графика. Это свойство ферментов объясняется изменением ионизации ионогенных групп в молекулах фермента, что ведёт к изменению ионных связей в молекуле белковой молекулы фермента. Это сопровождается изменением конформации молекулы фермента, а это, в свою очередь, приводит к изменению его активности. В условиях организма рН- зависимость определяет максимальную активность ферментов. Это свойство находит и практическое применение. Ферментативные реакции вне организма проводятся при оптимуме рН. При сниженной кислотности желудочного сока с лечебной целью назначают раствор НСl.

2.6. 6. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации фермента и концентрации субстрата
Зависимость скорости реакции от концентрации фермента и концентрации субстрата (кинетика ферментативных реакций) представлена соответственно на графиках.


В ферментативной реакции выделяют скорости трёх составляющих этапов:
образование фермент-субстратного комплекса FS;
обратный распад фермент – субстратного комплекса;
распад фермент-субстратного комплекса с образованием продуктов реакции.

Скорость каждой из этих реакций подчиняется закону действующих масс:
V1 = К1 [F] [S]
V2 = K2 [FS]
V3 = K3 [FS]
В момент равновесия скорость реакции образования FS равна сумме скоростей его распада: V1=V2+V3. Из трёх этапов ферментативной реакции наиболее важным и медленным является третий, так как он связан с образованием продуктов реакции. По приведенной выше формуле найти скорость V3 невозможно, так как фермент- субстратный комплекс очень неустойчив и измерение его концентрации затруднено. В связи с этим, Л. Михаэлис, М.Ментен ввели константу Михаэлиса - Кm и преобразовали уравнение для измерения V3 в новое уравнение, в котором присутствуют реально измеримые величины. Ниже представлены 2 варианта данного уравнения


[F0] – исходная концентрация фермента;
Кm – константа Михаэлиса.
Физический смысл Кm: Кm = (К2+К3) /К1, т.е. она показывает соотношение констант скоростей распада фермент-субстратного комплекса и константы скорости его образования.
Уравнение Михаэлиса-Ментен является универсальным. Оно иллюстрирует зависимость скорости реакции от [F0] от [S].
Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата. Эта зависимость выявляется при малых концентрациях субстрата [S] Зависимость скорости от концентрации фермента проявляется при высокой концентрации субстрата. S > Km. В этом случае можно пренебречь Km и уравнение преобразуется в следующее: . Таким образом, при высокой концентрации субстрата скорость реакции определяется концентрацией фермента и достигает максимального значения V3 = K3[F0]=Vmax. (третий участок графика 2).
Уравнение позволяет определить численное значение Km при условии . В этом случае оно приобретает вид:
, откуда следует, что Km=[S]
Таким образом, Кm численно равна концентрации субстрата при скорости реакции, равной половине максимальной. Кm является очень важной характеристикой фермента, она измеряется в молях (10-2 – 10-6 моль) и характеризуют специфичность фермента: чем ниже Km, тем выше специфичность фермента.
Графическое определение константы Михаэлиса возможно на графике зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации фермента (слева).



Удобнее использовать график, представляющий прямую линию. Такой график предложен Лайнуивером – Берком (график двойных обратных величин), который соответствует обратному уравнению Михаэлиса – Ментен (справа)

.

2.6.7. Зависимость скорости ферментативных реакций от присутствия активаторов и ингибиторов.

2.6.7.1. Влияние активаторов ферментов
Активаторы – вещества, повышающие скорость ферментативных реакций. Различают специфические активаторы, повышающие активность одного фермента (НСl - активатор пепсиногена) и неспецифические активаторы, увеличивающие активность целого ряда ферментов (ионы Mg – активаторы гексокиназы, К, Na –АТФ-азы и ряда других ферментов). В качестве активаторов могут служить ионы металлов, метаболиты, нуклеотиды.
Механизм действия активаторов может быть различным.
Достраивание активатором активного центра фермента, в результате чего облегчается взаимодействие фермента с субстратом. Таким механизмом обладают в основном ионы металлов.
Аллостерический активатор взаимодействует с аллостерическим участком (субъединицей) фермента, через его изменения опосредованно изменяет структуру активного центра и увеличивает активность фермента. Аллостерическим эффектом обладают метаболиты ферментативных реакций, АТФ.
Аллостерический механизм может сочетаться с изменением олигомерности фермента. Под действием активатора происходит объединение нескольких субъединиц в олигомерную форму, что резко увеличивает активность фермента. Например, изоцитрат является активатором фермента ацетил-КоА карбоксилазы.
Фосфолирирование - дефосфолирирование ферментов относится к обратимой модификации ферментов. Присоединение Н3РО4 чаще всего резко увеличивает активность фермента. Например, два неактивных димера фермента фосфорилазы соединяются с четырьмя молекулами АТФ и образуют активную тетрамерную фосфорилированную форму фермента. Фосфолирирование ферментов может сочетаться с изменением их олигомерности. В некоторых случаях фосфорилирование фермента, наоборот, снижает его активность (например, фосфорилирование фермента гликогенсинтетазы)
Частичный протеолиз (необратимая модификация). При данном механизме от неактивной формы фермента (профермента) отщепляется фрагмент молекулы, блокирующий активный центр фермента. Например, неактивный пепсиноген под действием HCL переходит в активный пепсин.

2.6.7.2. Влияние ингибиторов ферментов
Ингибиторы – вещества, понижающие активность фермента. Выделяют различные виды ингибиторов.
По специфичности выделяют специфичные и неспецифичные ингибиторы
По обратимости эффекта различают обратимые и необратимые ингибиторы.
По месту действия встречаются ингибиторы, действующие на активный центр и вне активного центра.
По механизму действия различают на конкурентные и неконкурентные ингибиторы.
Конкурентные ингибиторы имеют структуру, близкую к структуре субстрата. В силу этого ингибиторы и субстрат конкурируют за связывание активного центра фермента. Конкурентное ингибирование - это обратимое ингибирование Эффект конкурентного ингибитора может быть уменьшен путём повышения концентрации субстрата реакции

Примером конкурентного ингибирования может служить угнетение активности сукцинатдегидрогеназы, катализирующей окисление дикарбоновой янтарной кислоты, дикарбоновой малоновой кислотой, сходной по структуре с янтарной кислотой.

Принцип конкурентного ингибирования широко используется при создании лекарственных средств. Например, сульфаниламидные препараты имеют структуру, близкую к структуре парааминобензойной кислоты, необходимой для роста микроорганизмов. Сульфаниламиды блокируют ферменты микроорганизмов, необходимые для усвоения парааминобензойной кислоты. Некоторые противоопухолевые препараты являются аналогами азотистых оснований и, тем самым, ингибируют синтез нуклеиновых кислот (фторурацил).
Графически конкурентное ингибирование имеет вид, представленный на рисунке.



Неконкурентные ингибиторы структурно не имеют схожести с субстратами реакций и поэтому не могут вытесняться при высокой концентрации субстрата. Существует несколько вариантов действия неконкурентных ингибиторов:
Блокирование ингибитором функциональной группы активного центра фермента и, вследствие этого, уменьшение активности. Например, активность SН - групп могут связывать тиоловые яды обратимо (соли металлов, ртути, свинца) и необратимо (монойодацетат). Эффект ингибирования тиоловых ингибиторов может быть уменьшен введением добавочных веществ, богатых SH группами (например, унитиол). Встречаются и используются сериновые ингибиторы, блокирующие ОН - группы активного центра ферментов. Таким эффектом обладают органические фосфофторсодержащие вещества. Эти вещества могут, в частности, ингибировать ОН - группы в ферменте ацетилхолинэстеразе, разрушающей нейромедиатор ацетилхолин.
Блокирование ингибитором ионов металлов, входящих в состав активного центра ферментов. Например, цианиды блокируют атомы железа, ЭДТА (этилендиаминтетраацетат) блокирует ионы Са 2+, Mg 2+.
Аллостерический ингибитор взаимодействует с аллостерическим участком, опосредованно через него по принципу кооперативности, меняя структуру и активность каталитического участка. Графически неконкурентное ингибирование имеет вид:

Как видно из рисунка, максимальная скорость реакции при неконкурентном ингибировании не может быть достигнута путём повышения концентрации субстрата.

2.8 Регуляция активности ферментов в процессе метаболизма
Адаптация организма к меняющимся условиям (режим питания, экологические воздействия и пр.) возможна благодаря изменению активности ферментов. Существует несколько возможностей регуляции скорости ферментных реакций в организме:
Изменение скорости синтеза ферментов (этот механизм требует длительного отрезка времени).
Увеличение доступности субстрата и фермента путём изменения проницаемости клеточных мембран.
Изменение активности ферментов, уже имеющихся в клетках и тканях. Этот механизм осуществляется с большой скоростью и носит обратимый характер.
В многоступенчатых ферментативных процессах выделяют регуляторные, ключевые ферменты, которые ограничивают суммарную скорость процесса. Чаще всего ими являются ферменты начальной и конечной стадий процесса. Изменение активности ключевых ферментов происходит по различным механизмам.

Аллостерический механизм:

Изменение олигомерности фермента:
Мономеры не активные ↔ олигомеры активные
Фосфолирирование - дефосфорилирование:
Фермент (неактивный) + Н3РО4 ↔ фосфорилированный активный фермент.
В клетках широко распространено ретроингибирование, при котором продукты ферментативного процесса угнетают ферменты начальных стадий. Например, высокие концентрации пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов угнетают начальные в стадии их синтеза.
Иногда исходные субстраты активируют конечные ферменты, на схеме: субстрат А активирует F3. Например, активная форма глюкозы (глюкозо-6-фосфат) активирует конечный фермент синтеза гликогена из глюкозы (гликогенсинтетазу).

2.9. Структурная организация ферментов в клетке
Слаженность обменных процессов в организме возможна благодаря структурной разобщенности ферментов в клетках. Отдельные ферменты располагаются в тех или иных внутриклеточных структурах – компартментализация. Например, в плазматической мембране активен фермент калий - натриевая АТФ-аза. В митохондриях активны ферменты окислительных реакций (сукцинатдегидрогеназа, цитохромоксидаза). В ядре высока активность ферментов синтеза нуклеиновых кислот (ДНК-полимераза). В лизосомах активны ферменты расщепления различных веществ (РНК - аза, фосфатаза и другие).
Ферменты, наиболее активные в данной клеточной структуре, называются индикаторными или маркерными ферментами. Изменение их активности отражает глубину структурных повреждений ткани. Некоторые ферменты объединяются в полиферментные комплексы, например, пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК), осуществляющий окисление пировиноградной кислоты.

2.10. Принципы обнаружения и количественного определения ферментов:
Обнаружение ферментов основано на их высокой специфичности. Ферменты обнаруживают по производимому ими действию, т.е. по факту протекания той реакции, которую катализирует данный фермент. Например, амилазу обнаруживают по реакции расщепления крахмала до глюкозы.
Критериями протекания ферментативной реакции могут быть:
исчезновение субстрата реакции;
появление продуктов реакции;
изменение оптических свойств кофермента.

2.10.1. Количественное определение ферментов
Так как концентрация ферментов в клетках очень низка, то определяют не их истинную концентрацию, а о количестве фермента судят косвенно, по активности фермента.
Активность ферментов оценивают по скорости ферментативной реакции, протекающей в оптимальных условиях (оптимум температуры, РН, избыточно высокая концентрация субстрата). В таких условиях скорость реакции прямо пропорциональна концентрации фермента (V= K3[F0]).
В клинической практике используют несколько единиц активности фермента.
Международная единица – то минимальное количество фермента, которое катализирует превращение 1 микромоля субстрата за минуту при температуре 250 С.
Катал (в системе СИ) – то количество фермента, которое катализирует превращение 1 моля субстрата за секунду.
Удельная активность – отношение активности фермента к массе белка фермента.
Молекулярная активность фермента показывает, сколько молекул субстрата превращается под действием 1 молекулы фермента за единицу времени.


3. ВВЕДЕНИЕ В ОБМЕН ВЕЩЕСТВ. БИОХИМИЯ ПИТАНИЯ. ВИТАМИНЫ

3.1. Общие сведения об обмене веществ
Обмен веществ – совокупность химических процессов в живых организмах. Выделяют три этапа в обмене веществ:
- питание;
- промежуточный обмен (метаболизм);
- образование и выведение конечных продуктов обмена.
Питание – процесс поступления в организм питательных веществ, их переваривание и усвоение.
Промежуточный или тканевой обмен представляет процесс превращения всосавшихся в кишечнике продуктов переваривания в соединения, характерные для данного организма, и их использование на различные цели. Метаболизм включает два взаимодополняющих друг друга процесса: катаболизм и анаболизм.
Катаболизм – процесс расщепления сложных молекул до более простых, идущий с выделением энергии.
Анаболизм – синтез сложных молекул из более простых, идущий с затратой энергии.
Благодаря сбалансированности этих процессов в организме поддерживается постоянство содержания многих химических веществ. При заболеваниях наблюдаются отклонения в содержании различных веществ, что используется с диагностическими целями.
К основным конечным продуктам относятся вода, СО2, соли аммония, мочевина, мочевая кислота. По их выделению через почки и кишечник оценивают состояние обмена веществ.

3.2. Биохимия питания
Наука о питании – нутрициология. Биохимия питания изучает качественный и количественный состав пищевых веществ, их биологическую роль и биохимические последствия недостатка или избытка питательных веществ.
Все питательные вещества делят на несколько групп.
По химической природе: органические (белки, жиры, витамины) и минеральные.
По количественной потребности организма в них: основные (макронутриенты) - белки, жиры, углеводы, и минорные (микронутриенты) – витамины, микроэлементы.
По способности к синтезу в организме: заменимые и незаменимые.

Питание выполняет следующие функции:
пластическая;
энергетическая;
источник биологически активных веществ;
обеспечивает иммунные реакции организма.
Требования к здоровому (рациональному) питанию заключаются в следующем:
Питание должно быть достаточным в энергетическом отношении. Для взрослых людей калорийность рациона составляет. 2200-4300 ккал/сутки. Для детей энергетическая потребность выше: для ребёнка 0-6 месяцев – 125-120 ккал/кг, 6-12 месяцев – 110 ккал/кг, 5-6 лет – 50-60 ккал/ кг.
Питание должно быть полноценным т.е. содержать незаменимые компоненты.
Питание должно быть биологически активным т.е. содержать витамины и микроэлементы.
Питание должно быть сбалансированным (содержать определенное соотношение между Б : Ж : У 1: 1: 4, для детей первого года 1: 2 :4).
Не должно содержать токсичных, вредных для здоровья компонентов.

3.2.1. Краткая характеристика питательных веществ
Белки. Суточная потребность в белках для взрослого человека составляет 100 -120г. Они обеспечивают 15% энергетических затрат организма. В составе белков содержатся незаменимые аминокислоты: валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, триптофан, треонин, метионин, гистидин, лизин, аргинин. Этими аминокислотами более богаты белки животного происхождения, поэтому в рационе взрослого человека должно присутствовать не менее половины белков животного происхождения. У детей первого года жизни потребление белков выше, чем у взрослых, составляя 2-4 г/ кг. Для детей первых месяцев жизни все пищевые белки должны быть полноценными. Недостаток белка в детском возрасте приводит к белковому голоданию – квашиоркор. Оно может привести к задержке роста, замедлению умственного развития, нарушению гемопоэза. Избыточное поступление белка в организм ребёнка нежелательно, так как создаётся большая нагрузка на почки, печень.
Жиры. Потребность в жирах для взрослого человека равна 70 -100 г в сутки. Жиры содержат незаменимые полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК): линолевую (С18:2), линоленовую (С18:3), арахидоновую (С20:4). ПНЖК служат источником биологически активных эйкозанойдов. ПНЖК содержатся в растительных маслах, поэтому в рационе четверть всех жиров должна быть представлена растительными жирами. У детей потребность в жирах выше чем у взрослых: 0-6 месяцев – 6-7 г/кг, 6-12 месяцев 6-5 г/ кг массы тела. При недостатке ПНЖК нарушается деятельность ЦНС, снижается иммунитет, нарушаются различные виды обмена. Грудное молоко богато мононенасыщенными кислотами и ПНЖК.
Углеводы должны содержаться в рационе взрослого человека количестве 400-600 г/сутки. Углеводы не содержат незаменимых компонентов, но растительная пища богата пищевыми волокнами (клетчатка, пектины). Клетчатка усиливает моторику желудочно-кишечного тракта, обеспечивает объём пищевых продуктов, создаёт чувство сытости, служит субстратом для бродильной микрофлоры, адсорбирует многие токсины. Для детей потребность в углеводах составляет 12-14 г/ кг.
Минеральные вещества делятся на макроэлементы и микроэлементы (пограничная концентрация 0.01%).
Макроэлементы: кальций, фосфор, натрий, калий. Они выполняют пластическую функцию, определяют физико-химические свойства биологических жидкостей, участвуют в свёртывании крови, в нервно-мышечной возбудимости.
Микроэлементы: железо, цинк, медь, фтор, йод и др.. Микроэлементы выполняют регуляторную функцию для ферментов, входят в состав некоторых гормонов (йод в тироксине), сложных белков (железо в гемоглобине). Источником минеральных веществ являются растения и почвенная вода, поэтому встречаются регионы с дефицитом тех или иных микроэлементов. В данных регионах развиваются эндемические заболевания. Например, эндемический зоб при недостатке йода, кариес при дефиците фтора,
В детском возрасте рациональное питание особенно важно в критические периоды роста. К таким этапам относятся:
1.эмбриональный период, во время которого необходимо правильное питание будущей матери;
2.период новорожденности, во время которого возникают так называемые транзиторные состояния (гипогликемия, гипопротеинемия, гипокальциемия, гипотермия, потеря массы тела). Эти состояния при правильном питании носят временный характер, при дефектах вскармливания могут приводить к патологии;
3.грудной период, для которого оптимальным является естественное вскармливание;
4.подростковый период - период полового созревания, когда происходит гормональная перестройка метаболизма.

3.3. Биохимия витаминов
Витамины - это минорные компоненты пищи, которые выполняют регуляторную роль в обмене веществ. Термин витамины возник в связи с тем, что первый витамин, открытый К.Функом в 1911 году содержал аминогруппу и предотвращал развитие полиневрита.

3.3.1. Номенклатура витаминов
Каждый витамин имеет три вида названий:
буквы латинского алфавита;
название, отражающее химическую природу витамина (например, ретинол – спирт);
название, образующееся путём сочетания приставки анти с названием заболевания, возникающего при отсутствии витамина (например, антирахитический, антианемический витамины).

3.3.2. Классификация витаминов
По растворимости витамины делятся на две группы:
- водорастворимые (С, В, Н, РР)
- жирорастворимые (А, Д, Е, К).
Иногда выделяют витаминоподобные вещества, например инозит, пангамовая кислота.

3.3.3. Биологическая роль витаминов
Коферментная: витамин РР (противопеллагрический) входит в состав кофермента НАД, витамин В2 (рибофлавин) – в состав кофермента ФАД.
Являются аллостерическими активаторами (регуляторами) многих ферментов.
Некоторые витамины входят в состав более сложных белков, например витамин А (антиксерофтальмический) входит в состав родопсина сетчатки.
Антирадикальная (антиоксидантная) функция. Витамины блокируют свободные радикалы, в том числе, радикалы кислорода. Данная функция наиболее характерна для витаминов Е, А, С.

3.3.4. Обмен витаминов
Всасывание. Для некоторых витаминов имеются специальные белки-переносчики, во всасывании жирорастворимых витаминов принимают участие жёлчные кислоты.
Транспорт витаминов. Для жирорастворимых витаминов необходимы транспортные белки (например, ретинолсвязывающий белок для витамина А).
В тканях витамины встраиваются в состав коферментов.
Инактивация витаминов происходит в печени.
Продукты распада витаминов выводятся через почки. По их концентрации в моче судят об обмене витаминов в организме.
В обмене витаминов возможны нарушения:
- авитаминозы – патологические состояния, развивающиеся при отсутствии витаминов в пище и при нарушении усвоения и обменных превращений витаминов;
- гипервитаминозы – патологические состояния вследствие избыточного поступления в организм;
- гиповитаминозы – патологические состояния, возникающие при недостаточном поступлении или частичном нарушении обмена витаминов, а также при повышенной потребности (беременность, ранний детский возраст, работа в жарких цехаха)
Различают экзогенные и эндогенные причины гиповитаминозов. Экзогенные (алиментарные) гиповитаминозы лечат путём назначения витаминных препаратов и продуктов, богатых недостающим витамином.
К эндогенным причинам относятся нарушение всасывания при заболеваниях желудочно-кишечного тракта, заболевания печени и жёлчевыводящих путей, дисбактероиозы, гельминтозы. Эндогенные гиповитаминозы лечат путём инъекций витаминов, минуя желудочно-кишечный тракт.
В детском возрасте могут встречаться особые витаминорезистентные состояния, при которых нарушено включение витаминов в состав коферментов. Эти состояния корректируют назначением готовых коферментных форм витаминов.

3.3.5. Краткая характеристика некоторых витаминов
Витамин А, ретинол, антиксерофтальмический витамин (препятствующий сухости глаз). По химической природе является циклическим ненасыщенным спиртом. Распространён в продуктах животного происхождения: желток, сливочное масло, печень. Растительные продукты (морковь, красный перец) содержат провитамин каротин. Суточная потребность до 5 мг.

Биологическая роль:
- участвует в синтезе зрительного пигмента родопсина;
- стимулирует рост и развитие эпителия, костной, хрящевой ткани способствуя синтезу в них нуклеиновых кислот, сложных углеводов (гликозаминогликанов);
- является инактиватором радикальных форм кислорода.
Авитаминоз проявляется нарушением сумеречного зрения (куриная слепота). Развивается сухость роговицы глаза (ксерофтальмия) в результате ороговевания эпителия слёзной железы, закупорки её протока и прекращения слезоотделения. Страдают эпителиальные ткани дыхательных путей, мочевыводящих путей (дерматиты, бронхиты, пиелиты), нарушается репродуктивная функция. Возможен и гипервитаминоз А при использовании большого количества продуктов, содержащих этот витамин.
Витамин РР, никотиновая кислота, противопеллагрический витамин. Содержится в злаках, дрожжах. Суточная потребность в нём составляет до 10 мг.
Биологическая роль: входит в состав коферментов НАД и НАДФ, участвует в процессах биологического окисления. Авитаминоз проявляется заболеванием пеллагра (шершавая кожа). К её симптомам относятся дерматит, слабоумие (деменция), расстройства функций кишечника (диарея) - болезнь трёх Д.
Витамин В2, рибофлавин, витамин роста. Он включает флавин и рибитол, распространён в оболочке злаков, в дрожжах. Суточная потребность 1-2 мг. Биологическая роль: входит в состав коферментов ФМН и ФАД, участвует в биологическом окислении. Авитаминоз проявляется в виде дерматита, катаракты, анемии, поражении сердечной мышцы
Липоевая кислота – витаминоподобное вещество, представляет собой восьмиуглеродную жирную кислоту с двумя SH - группами. Биологическая роль: является коферментом пируватдегидрогеназного комплекса, участвует в окислении α-кетокислот.
Пантотеновая кислота является витамином, который, в свою очередь, включает β-аланин и производное масляной кислоты. Она распространена в животных и растительных продуктах. Суточная потребность до 10 мг. Биологическая роль: входит в состав HS- КоА, участвует в окислительном декарбоксилировании α-кетокислот, в активации жирных кислот. Авитаминоз проявляется дерматитом, депигментацией волос, поражением нервной системы.
Витамин В1, тиаминдифосфат, антиневритный витамин включает в свой состав пиримидиновое кольцо и имеет аминогруппу. Суточная потребность 2 мг, содержится в злаках, дрожжах. Биологическая роль: входит в состав кофермента тиаминдифосфата (ТДФ) и участвует в окислительном декарбоксилировании α -кетокислот, является коферментом окисления глюкозы по пентозофосфатному пути. Авитаминоз проявляется полиневритами (болезнь бери-бери).

3.4. Биохимические основы рационального вскармливания грудных детей
При составлении оптимального по количеству и качественным критериям питания для детей грудного возраста нужно учитывать многие факторы.
- Для детей энергетическая потребность выше, чем у взрослых: для ребёнка 0-6 месяцев – 125-120 ккал / кг, 6-12 месяцев – 110 ккал /кг, 5-6 лет – 50-60 ккал/ кг.
- Организм ребёнка более чувствителен к недостатку незаменимых компонентов питания.
- У детей повышена потребность в витаминах и микроэлементах в расчёте на массу тела.
- Для детей первого года жизни соотношение между Б : Ж :У должно составлять 1:2:4.
3.4.1. Химический состав грудного молока
Молозиво отличается небольшим объёмом, высокой плотностью и калорической ценностью. Калорийность 1 литра молозива в первый день лактации составляет 1500 ккалорий. В молозиве содержится более низкая концентрация лактозы, жира, водорастворимых витаминов по сравнению со зрелым молоком, но более высокая концентрация белков, жирорастворимых витаминов, некоторых минеральных веществ (таких как натрий, цинк). Содержание белков в молозиве достигает 2,3 г/100 мл, что примерно в два раза выше, чем в зрелом молоке. Концентрация жиров в молозиве, наоборот, значительно ниже, чем в зрелом молоке (2,9 г/100 мл в молозиве по сравнению с 4,5 г/100 мл в зрелом молоке). В молозиве существенно выше по сравнению со зрелым молоком содержание природных антиоксидантов, таких как витамин А, Е, β- каротины, селен. В нём высок уровень иммуноглобулинов и других защитных факторов
Зрелое молоко начинает образовываться на 3-14-ый дни лактации. Оно необычайно разнообразно по химическому составу, содержит около 400 различных органических и минеральных компонентов.
Среднее содержание белка в грудном молоке составляет 11,5 г/л (0,9-1,3 г/100 мл). Белки женского молока представлены в основном α- лактоальбумином, лактоферрином и иммуноглобулинами. Казеиновый коэффициент (отношение сывороточные белки /казеиновые белки) в женском молоке составляет 55:45. Казеиновое соотношение в грудном молоке позволяет образовывать более мягкий для желудка ребёнка творожок, облегчающий пищеварение у грудного ребёнка. Казеиновые белки в грудном молоке в основном представлены β- казеинами. Сывороточные альбумины молока характеризуются более благоприятным для ребёнка аминокислотным составом. Среди иммуноглобулинов в женском молоке преобладает Jg A (95% всех иммуноглобулинов), который повышает защитные свойства слизистой кишечника ребёнка от инфекций. Для грудного молока характерно высокое содержание белка лактоферрина (170 мг/100 мл), который обеспечивает всасывание железа в кишечнике. Лактоферрину свойственно также и антимикробное действие. В силу отмеченных особенностей белки грудного молока отличаются высокой усвояемостью и биологической ценностью.
В грудном молоке высока доля небелкового азота - мочевины, мочевой кислоты, креатинина, аминосахаров, аминокислот. На него приходится до 25% общего азота молока. Женское молоко имеет своеобразный аминокислотный состав: высокий уровень свободных аминокислот - цистеина, таурина, триптофана и более низкое содержание метионина и лизина.
Содержание жиров в зрелом молоке составляет примерно 40-45 г/л, хотя его значения могут колебаться в широком диапазоне: от 31 г/л до 52 г/л.
Жиры в женском молоке находятся в виде тонкой эмульсии, что облегчает их переваривание. Среди жиров грудного молока преобладают триацилглицерины. В меньшем количестве в нём присутствуют фосфолипиды. Женское молоко богато холестерином. В женском молоке преобладают ненасыщенные жирные кислоты: оно содержит 42% насыщенных и 57% ненасыщенных жирных кислот, богато длинноцепочечными мононенасыщенными и ПНЖК. Важной особенностью ТАГ и фосфолипидов грудного молока является наиболее оптимальное пространственное расположение в их составе соответствующих остатков жирных кислот. В женском молоке также содержится карнитин - важный компонент, обеспечивающий внутриклеточный транспорт жирных кислот. Женское молоко может содержать значительные количества биологически активных простагландинов. Жиры грудного молока обеспечивает для ребёнка 35-50% дневной энергетической нормы.
Содержание углеводов в женском молоке составляет 68-74 г/л. 85% всех углеводов приходится на лактозу, но в нём присутствуют также галактоза, фруктоза, а также другие олигосахариды.
Лактоза служит субстратом для бродильной микрофлоры, обеспечивает всасывание ряда минеральных веществ, например, кальция, железа, магния, марганца. Лактоза обеспечивает около 40% энергетических потребностей грудного ребёнка. Она также является источником галактозы для синтеза гликолипидов и гликопротеидов.
Очень важным компонентом грудного молока являются присутствующие в нём специфические смешанные олигосахариды. Роль олигосахаридов женского молока состоит, прежде всего, в обеспечении организма ребёнка различными производными моносахаров, синтез которых в тканях затруднён. Кроме того, показано участие олигосахаридов в поддержании роста молочной и бифидофлоры в кишечнике ребёнка, а также ингибирование адгезии патогенных микроорганизмов на клетках слизистой оболочки кишечника.
Грудное вскармливание стимулирует развитие бифидофлоры в кишечнике ребёнка. Бифидофлора (БФ) - анаэробная флора, продуцирующая молочную, уксусную кислоты из лактозы и смешанных олигосахаридов грудного молока. Образующиеся короткоцепочечные кислоты закисляют рН кишечника и тем самым оказывают антибактериальное действие. Они обладают антитоксическим эффектом, связывая некоторые токсические амины кишечника. БФ продуцирует некоторые витамины группы В, ферменты, в частности, лизоцим, казеин - фосфатазы. БФ активирует дисахаридазы кишечника младенца, защищает его организм от дефицита цинка. БФ активирует пролиферацию энтероцитов, оказывает иммуномодулирующий эффект.
Содержание витаминов в молоке правильно питающихся женщин, как правило, соответствует потребностям ребёнка, вскармливаемого грудью.
Общее содержание минеральных веществ в женском молоке оптимально соответствует потребностям ребёнка. Оно составляет 2 г/л. Выявлено, что содержание таких минеральных веществ как кальций, фосфор, железо, магний, цинк, фториды в грудном молоке мало зависит от рациона матери. Содержание кальция в грудном молоке составляет 7,0 ммоль/л (260 -300 мг/л). Содержание фосфора в женском равняется 4,5 ммоль/л (140 мг/л). Содержание натрия в женском молоке составляет 7 ммоль/л (113 - 264 мг/л), концентрация калия - 14 ммоль/л (400 - 700 мг/л), уровень хлоридов - 11 ммоль/л (366 - 421 мг/л
Несмотря на относительно низкое содержание в грудном молоке таких микроэлементов как железо, цинк, марганец, йод, обеспеченность ими детей первых месяцев жизни, находящихся на грудном вскармливании, является вполне достаточной.
Грудное молоко богато биологически активными веществами, которые уникальны по своему подбору. К ним относятся многие гормоны: окситоцин, пролактин, либерины, гонадотропин, соматотропин, тиреотропин, инсулин, соматостатин, кальцитонин, релаксин, тироксин, трийодтиронин, кортикостероиды, половые гормоны, эритропоэтин, гормонально активные пептиды: бомбезин и нейротенсин.
В женском молоке представлены также многочисленные факторы роста (фактор роста эпидермиса, инсулиноподобный фактор роста (ИФР) гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулируемый (ГМ-КСФ), фактор роста нервной системы).
Женское молоко включает в свой состав огромное количество антибактериальных, антивирусных факторов.
Защитные факторы женского молока могут быть разделены на несколько групп:
-иммуноглобулины, главным образом секреторный JgA, который обеспечивает местную иммунную защиту слизистых оболочек пищеварительного тракта. В молоке человека присутствует некоторое количество JgG. Содержание же JgM и JgE незначительно. Особенностью молока матери является высокое содержание в нём каталитически активных антител (абзимов).
-иммунокомпетентные клетки: Т-лимфоциты, нейтрофилы, макрофаги, а также комплекс белковых факторов (интерлейкины, интерфероны), регулирующие их активность.
-белковые вещества, обладающие неспецифическим противоинфекционным действием (лактоферрин, лизоцим, лактопероксидаза) В женском молоке присутствует до 70 различных ферментов.
-бифидогенные факторы (пребиотики): лактоза, олигосахариды, цистеин, пантотеновая кислота, которые обеспечивают развитие в кишечнике нормальной микрофлоры.

Биологически активные компоненты грудного молока.
Защитные факторы
Регуляторы метаболизма
Факторы роста

Все классы Jg
Гормоны
Эпидермальный фактор

Лактоферрин
Пролактин,
Окситоцин, ТТГ, АКТГ, СТГ, рилизинг- факторы
Тироксин, кальцитонин
Кортикостероиды
Прогестерон, эстрогены
Инсулин
Гастроинтестинальные гормоны
Гормон роста

Лизоцим

Фактор роста нервов

Компоненты коплемента

Инсулиноподобный фактор роста

В- и Т-лимфоциты

Таурин – фактор развития сетчатки, мозга

Нейтрофилы, макрофаги, моноциты

Лактоферрин – фактор роста энтероцитов

Интерлейкины

Нуклеотиды

Цитокины
Эйкозаноиды
Эйкозаноиды – формирование мозга, иммунитета, мембран

Лакто- и миело-
пероксидаза
Ферменты
Гранулоцитарномакрофагальный колониестимулирующий фактор

РНК-фактор
Витамины


Бифидогенные
факторы
Микроэлементы



4. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ
4.1. Функции биологического окисления
Биологическое окисление – совокупность окислительных процессов, протекающих в живых организмах. Биологическое окисление выполняет ряд важных функций:
энергетическая функция – окислительные процессы снабжают биологические процессы энергией;
биосинтетическая функция – путём окислительных реакций могут синтезироваться новые вещества, необходимые для организма;
обезвреживающая (детоксикационная) функция - путём окислительных реакций многие вещества лишаются своей токсичности.
По современным представлениям процесс окисления веществ заключается в потере ими электронов. Вещество, теряющее электроны – донор электронов, вещество, присоединяющее электроны – акцептор электронов. Все живые организмы, в зависимости от вида конечного акцептора электронов, делятся на аэробные и анаэробные организмы. У аэробов конечным акцептором электронов служит кислород. У анаэробных организмов электроны переносятся не на кислород, а на какие-то другие вещества

4.2. Краткая история учения о биологическом окислении
На первых этапах изучения процессов окисления были предложены теории активации кислорода, в которых предполагался какой-то механизм активации кислорода, поскольку кислород в организме является более активным окислителем, чем вне организма. К теориям данного направления относится, в частности, перекисная теория А.Н. Баха (1847 г.). Согласно ей, в организме есть вещества, которые, взаимодействуя с молекулярным кислородом, образуют перекисные вещества, в которых кислород становится более активным.

Впоследствии кислород в составе перекиси окисляет многие субстраты в организме. В результате к окисленному веществу присоединяется кислород. Эта теория носит частный характер.
Позже (1911 г.) возникла теория дегидрирования А.В. Палладина. Согласно ей, вещества окисляются не путём присоединения кислорода, а путём потери атомов водорода. В первую анаэробную фазу окисления происходит перенос атомов водорода с субстрата (RH2) на акцептор (X) при участии ферментов дегидрогеназ:
Во вторую аэробную стадию окисления атомы водорода переносятся с восстановленного акцептора (ХН2) на кислород. Акцептор при этом окисляется и повторно участвует в дегидрировании субстрата.
По теории Палладина допускалось участие в окислительных процессах кислорода воды. Теория Палладина более универсальна и положена в основу современных представлений о биологическом окислении.

4.3. Виды биологического окисления
Процессы биологического окисления могут протекать в разных отделах клетки. Принято выделять 2 вида окисления: внутримитохондриальное и внемитохондриальное.
Внутримитохондриальное окисление протекает в матриксе и на внутренней мембране митохондрий, выполняет энергетическую функцию.
Внемитохондриальное окисление протекает в цитозоле, эндоплазматической сети, пероксисомах и на внешней мембране митохондрий. Оно в основном участвует в биосинтетических и детоксикационных процессах.
4.4. Ферменты и коферменты биологического окисления
В процессах окисления участвует большое количество ферментов, коферментов, переносчиков электронов. К ферментам участвующим в биологическом окислении относятся дегидрогеназы, цитохромы, оксигеназы, пероксидазы.
Дегидрогеназы в зависимости от состава небелковой части фермента делят на никотинамидзависимые и флавиновые ферменты.

4.4.1. Никотинамидзависимые дегидрогеназы (НАД, НАДФ-зависимые)
Никотинамидзависимые дегидрогеназы - сложные белки, состоящие из белковой и небелковой части. Белковая часть дегидрогеназ определяет их специфичность, имеет молекулярную массу, порядка 70 – 100 тыс. д. В активном центре дегидрогеназ присутствуют SH группы. Кофермент дегидрогеназ представлен динуклеотидами НАД и НАДФ.
НАД – никотинамидадениндинуклеотид
В состав НАД входят два нуклеотида:
аденин – рибоза – Н3 РО4
никотинамид – рибоза - Н3 РО4
НАДФ – никотинамидадениндинуклеотидфосфат.
Состав НАДФ:
аденин - рибоза (Н3 РО4) - Н3 РО4
никотинамид – рибоза - Н3 РО4
Коферменты НАД и НАДФ влияют на третичную структуру дегидрогеназ, придают активность белковой части фермента и участвуют в переносеводорода. В организме встречаются дегидрогеназы, активные только в присутствии НАД: лактатдегидрогеназа, малатдегидрогеназа. Имеются ферменты, где коферментом является только НАДФ: глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, 6-фосфоглюконатдегидрогеназа. Для фермента глютаматдегидрогеназы в качестве кофермента может выступать как НАД, так и НАДФ,
Общий вид реакции, катализируемой НАД (НАДФ)- дегидрогеназами заключается в отщеплении водорода от окисляемого субстрата и переносе его на кофермент:

НАД и НАДФ непрочно связаны с белковой частью фермента. В данной реакции непосредственным акцептором протонов и электронов в составе НАД или НАДФ является никотинамид (витамин РР).

Механизм восстановления кофермента


В последующем НАДН2 используется в энергетических процессах, а НАДФН2 используется в качестве источника водорода для восстановительных синтезов (синтез жирных кислот, стероидных гормонов, холестерина).

4.4.1.1. Витамин РР
Витамин РР (никотиновая кислота, противопеллагрический витамин) содержится в основном в злаках. Суточная потребность в нём составляет 10 мг.
Биологическая роль РР – входит в состав НАД и НАДФ, участвует в процессах биологического окисления. Авитаминоз РР носит название пеллагры (шершавая кожа). К её симптомам относятся дерматит, слабоумие (деменция), расстройства функций кишечника ( диарея) - болезнь трёх Д.

4.4.2. Флавопротеиды (флавиновые дегидрогеназы)
Флавопротеиды - сложные белки, состоящие из белка и небелковой части, представленной флавинмононуклеотидом (ФМН) или флавинадениндинуклеотидом (ФАД). Белковая часть флавопротеидов имеет большую молекулярную массу около 200 тыс. д. и прочно связывается с небелковой частью.
ФМН – флавинмононуклеотид, состоит из флавина, рибитола, Н3РО4.
ФАД – флавинадениндинуклеотид, включает флавиновый и адениловый нуклеотиды:
флавин – рибитол - Н3РО4.
аденин – рибоза - Н3РО4.

Общий вид реакции с участием флавопротеидов:
1 стадия

2 стадия


В качестве субстратов для флавопротеидов служат янтарная кислота, активные формы жирных кислот. В этом случае флавопротеиды являются первичными акцепторами протонов и электронов для этих веществ. Донором водорода для флавопротеидов может также служить молекула НАДН2. В этом случае флавопротеиды являются промежуточными акцепторами протонов и электронов. В качестве акцепторов электронов для флавопротеидов могут являться убихинон (во внутримитохондриальном окислении) или кислород (во внемитохондриальном окислении). В этом случае флавопротеиды называют не дегидрогеназами, а оксидазами.Непосредственным переносчиком протонов и электронов в составе флавопротеидов служит флавин.

Схема восстановления флавина:

Основу флавиновой группировки составляет витамин В2

4.4.2.1. Витамин В2
Витамин В2 (рибофлавин, витамин роста) включает флавин (изоаллоксазин) и рибитол. Рибофлавин распространён в злаках, в дрожжах. Суточная потребность в нём составляет 1-2 мг. Биологическая роль – входя в состав ФМН и ФАД, участвует в биологическом окислении.
Авитаминоз проявляется в виде дерматита, катаракты, анемии, поражении сердечной мышцы

4.4.3. Убихинон (КоQ)
Убихинон - небелковое липидоподобное вещество, локализующееся во внутренней мембране митохондрий и участвующее в окислении флавопротеидов.
Общий вид реакции с участием убихинона:



Механизм восстановления убихинона:

4.4.4. Цитохромы
Цитохромы - гемсодержащие белки. Различные виды цитохромов обозначают латинскими буквами А, А3, С, С1, В, В5, Р450. Цитохромы отличаются строением белковой части, структурой гема, оптическими свойствами, величиной окислительно-восстановительного потенциала. Их роль заключается в переносе электронов за счёт окисления и восстановления содержащегося в их составе атома железа: Fe2+ (Fe3+
Большинство цитохромов переносят электроны по цепочке в зависимости от величины их окислительно-восстановительного потенциала. И только один комплекс - цитохромоксидаза способен переносить электроны непосредственно на кислород. В связи с этим цитохромоксидаза – конечный (терминальный) участок в цепи переноса электронов. Цитохромоксидаза включает в себя два гема двух цитохромов цА и цА3, ионы меди, 6 полипептидных цепей, имеет молекулярную массу 450 тысяч д. Цитохромоксидаза может переносить 4 электрона непосредственно на молекулу О2 с образованием воды.

4.4. 5. Оксигеназы
Оксигеназы - это ферменты, катализирующие окисление веществ путём присоединения одного или двух атомов кислорода. Различают монооксигеназы и диоксигеназы. Они участвуют во внемитохондриальном окислении (смотри внемитохондриальное окисление).

4.4.6. Пероксидазы
Пероксидазы - это ферменты, катализирующие окислительные реакции с участием пероксидных соединений во внемитохондриальном окислении (смотри дальше).

4.5. Внутримитохондриальное окисление
Митохондрии поглощают до 80-90% всего потребляемого клеткой кислорода. Все компоненты внутримитохондриального окисления за исключением анаэробных дегидрогеназ встроены во внутреннюю мембрану митохондрий в определённой последовательности и образуют дыхательные цепи или цепи переноса электронов (ЦПЭ). Дыхательными цепями они называются в связи с тем, что очень часто внутримитохондриальное окисление называют тканевым дыханием. Последовательность компонентов цепи переноса электронов во внутренней мембране митохондрий определяется величиной их окислительно-восстановительного потенциала.
В начале ЦПЭ находятся вещества с наиболее отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом. Эти вещества легче отдают электроны. У каждого последующего компонента становится более положительной величина окислительно – восстановительного потенциала. Вещества с более высоким положительным потенциалом легче принимают электроны. Таким образом, в результате перепада потенциалов в дыхательной цепи происходит спонтанное, самопроизвольное перемещение электронов от начала цепи до её конца. В митохондриях принято различать короткую и длинную дыхательные цепи.

4.5.1. Длинная дыхательная цепь
Длинная дыхательная цепь включает в себя окисление, начинающееся в матриксе митохондрий при участии НАД (НАДФ)- дегидрогеназ. В длинной цепи окисляются, например, изолимонная кислота, яблочная кислота, жирные кислоты, молочная кислота.
В матриксе происходит дегидрирование субстратов, образующихся в процессе метаболизма с переносом электронов и протонов на кофермент НАД (НАДФ).

НАД - зависимая дегидрогеназа выполняет роль акцептора электронов и протонов от окисляемых веществ. Образующаяся восстановленная форма НАД затем окисляется при участии флавопротеидов, встроенных в мембрану митохондрий по схеме:.

В последующем электроны с восстановленной формы флавопротеидов переносятся при участии железосеросодержащих белков (Fe-S комплексов) на следующий компонент: КоQ по схеме:

КоQН2 окисляется системой цитохромов, на которые с КоQ перебрасываются только электроны, а протоны выталкиваются в межмембранное пространство:

Под действием цитохромоксидазы на молекулу кислорода перебрасываются 4 электрона с образованием восстановленной формы кислорода 2О2-, который в последующем взаимодействует с 4Н+ с образованием Н2О.

4.5.2. Короткая дыхательная цепь
В короткой дыхательной цепи окисляются субстраты, для которых первичным акцептором электронов является флавопротеид (отсутствует этап окисления субстрата НАД-ДГ). Веществами, окисляющимися в короткой цепи, являются, напимер, янтарная кислота, активные формы жирных кислот, глицерофосфат.
Первая стадия окисления:

В последующем ФАДН2 при участии флавопротеидов*(FeS*), окисляется КоQ:

Восстановленный КоQ далее окисляется также, как и в длиной дыхательной цепи, системой цитохромов.

4.5.3. Окислительные комплексы и их ингибиторы
Длинная и короткая дыхательные цепи включают в свой состав структурно-функциональные фрагменты, которые называются окислительными (дыхательными) комплексами. В длинной цепи выделяют три основных комплекса (I, III, IV), а в короткой два (III, IV).

I комплекс - НАДН - дегидрогеназный комплекс располагается между НАДН2 и КоQ и включает в себя ФП и FeS – белки.
III комплекс - КоQН2-дегидрогеназный или (цитохром С - редуктазный комплекс) располагается между КоQ и цС и включает в себя цВ, FeS- белки, цС1.
IV комплекс - цитохромоксидазный комплекс – окисляет цС и включает в себя цА,А3
II дополнительный сукцинатдегидрогеназный комплекс включает ФП* и FeS*,
Каждый дыхательный комплекс может быть выключен из работы дыхательной цепи определёнными веществами – ингибиторами, блокирующими передачу электронов и протонов.
Ингибиторы первого комплекса – амитал, барбитураты, ротенон.
Ингибитор второго комплекса – малонат.
Ингибитор третьего комплекса – антимицин А.
Ингибиторы четвертого комплекса – Н2S, цианиды, СО.

4.6. Энергетический обмен
Внутримитохондриальное окисление тесно связано с энергетическим обменом. Энергетический обмен – сбалансированное протекание реакций образования и реакций использования энергии.
Реакции, идущие с высвобождением энергии, называется экзэргоническими реакциями, а идущие с поглощением энергии - эндэргоническими. Основным экзэргоническим процессом в организме является транспорт электронов по дыхательной цепи. Окислительно-восстановительный потенциал начальных компонентов НАД окисленный /НАД восстановленный составляет -0,32 в. Окислительно-восстановительный потенциал конечных компонентов дыхательной цепи равен +0,82 в.

В результате разницы потенциалов в ЦПЭ происходит перемещение электронов с высвобождением энергии. Та энергия, которая может быть использована на выполнение какой-либо работы, – свободная энергия. Энергия, освобождающаяся в дыхательной цепи, рассчитывается по формуле:
ΔF = -23*n*Δе,
где n- количество переносимых электронов на один атом кислорода (2е),
Δе – перепад окислительно-восстановительного потенциала между началом и концом цепи переноса электронов.
Δе = 0,82 –(-0,32) = 1,14 в
ΔF = -23*2*1,14 = -52 ккал/моль
Высвободившаяся энергия может быть использована организмом как для обогрева так и на выполнение различных видов работы:
механической работы – сокращение мышц, вращение жгутиков;
химической работы - на синтез новых веществ;
создание и поддержание трансмембранных градиентов ионов;
электрической работы – возникновение потенциалов в нервной системе.
Все организмы в зависимости от вида энергии, которую они используют для выполнения работы, делятся на два вида: фототрофы – могут использовать энергию солнечного света, хемотрофы – могут использовать энергию только химических связей особых макроэргических веществ.
Макроэргические вещества – вещества, при гидролизе связей которых высвобождается энергия более 5 ккал/моль. К ним относят фосфоенолпируват, креатинфосфат, 1,3-дифосфоглицерат, ацилы жирных кислот, нуклеотиды АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ. Среди всех макроэргов центральное место занимает АТФ. АТФ является аккумулятором и источником химической энергии. В молекуле АТФ заключена энергия от 7,3 ккал/моль (в стандартных условиях) до 12 ккал/моль (в физиологических условиях). В состав АТФ входят аденин, рибоза, три остатка Н3РО4. АТФ синтезируется из АДФ и фосфорной кислоты с затратой энергии. Присоединение Н3РО4 называется – фосфорилированием. Распад АТФ, наоборот, является экзэргоническим процессом. Основным источником энергии для синтеза АТФ является перенос электронов по дыхательной цепи.



5.6.1. Окислительное фосфолирирование
Процесс синтеза АТФ из АДФ и Н3РО4, за счёт энергии транспорта электронов по ЦПЭ называется окислительным фосфорилированием. Процессы окисления в дыхательной цепи и синтез АТФ тесно взаимосвязаны (сопряжены). При этом ведущим процессом является транспорт электронов, а сопутствующим является фосфорилирование. Участки дыхательной цепи, на которых происходит синтез АТФ, называются участками сопряжения. Их в длинной цепи три (I, III, IV окислительные комплексы), в короткой дыхательной цепи их два (III IV комплексы). Если вещество окисляется в длинной дыхательной цепи, то максимально синтезируется три молекулы АТФ. Эффективность сопряжения окислительного фосфолирирования выражается коэффициентом фосфолирирования (Р/О). Он показывает, сколько молекул Н3РО4 расходуется на синтез АТФ при поглощении дыхательными цепями одного атома кислорода. Для длинной цепи коэффициент Р/О равен 3, для короткой - 2.
Впервые в тридцатые годы факт синтеза АТФ в процессе окисления был выявлен отечественным биохимиком В.А. Энгельгардтом. Основной теорией механизма окислительного фосфорилирования принята хемоосмотическая теория П. Митчела. Согласно ей, при транспорте электронов по дыхательной цепи возникает протонный потенциал, который и аккумулирует энергию, освободившуюся при переносе электронов. Впоследствии протонный потенциал используется для синтеза АТФ. Возникновение протонного потенциала обусловлено непроницаемостью для протонов внутренней мембраны митохондрий. В процессе транспорта электронов по дыхательной цепи одновременно происходит выталкивание Н+ из матрикса в межмембранное пространство. Считается, что в матрикс поступает 6 – 10 Н+. В результате этого происходит закисление среды в межмембранном пространстве, возникает перепад рН (ΔрН) и одновременно заряжается внутренняя мембрана митохондрий, возникает мембранный потенциал. Совокупность мембранного потенциала и ΔрН и образуют протонный потенциал –ΔμН+.

Механизм окислительного фосфорилирования.

В трансформировании протонного потенциала в энергию АТФ участвует фермент АТФ-синтетаза, встроенный во внутреннюю мембрану митохондрий. Это олигомерный фермент, включает два функциональных участка. Один из них формирует во внутренней мембране гидрофильный протонный канал, по которому Н+ из межмембранного пространства по градиенту концентрации с огромной скоростью и энергией возвращаются в матрикс. Второй участок фермента – фосфорилирующий направлен в сторону матрикса. Поток Н+ вызывает конформационные перестройки фосфорилирующей части фермента, что сопровождается синтезом АТФ из АДФ и Н3РО4.

4.6.1. 1. Регуляция окислительного фосфолирирования
Саморегуляция процессов окисления и фосфорилирования осуществляется путём дыхательного контроля – изменение скорости окисления в дыхательной цепи при изменении соотношения концентраций АТФ и АДФ. При увеличении концентрации АТФ, скорость переноса электронов по дыхательной цепи замедляется, и, наоборот, при увеличении концентрации АДФ скорость переноса электронов увеличивается.
Дыхательный контроль приводит в соответствие процессы образования и использования энергии в организме. В физиологических условиях процессы окисления и процессы синтеза АТФ тесно сопряжены. Степень сопряжения увеличивает гормон инсулин, витамины Е, К.
В то же время в физиологических условиях и в патологических условиях возможно явление разобщения окисления и фосфорилирования.
Разобщение – частичное или полное прекращение синтеза АТФ при сохранении транспорта электронов по дыхательной цепи. Частичному разобщению способствуют высокие концентрации гормонов щитовидной железы, билирубина, свободных жирных кислот, динитрофенола.
Механизм действия разобщителей заключается в том, что, будучи жирорастворимыми веществами, они обеспечивают транспорт Н+ через внутреннюю мембрану митохондрий из межмембранного пространства в матрикс, минуя протонную АТФ-азу. В результате снижается протонный потенциал и, следовательно, синтез АТФ.
В физиологических условиях частичное разобщение выполняет важную терморегуляторную роль. В норме свободная энергия, равная 52 ккал/моль, распределяется следующим образом: 60% - используется на выполнение работы, 40% на согревание организма. При увеличении теплоотдачи организма при низкой внешней температуре происходит частичное разобщение окисления и фосфорилирования и в результате снижается доля свободной энергии использующейся на работу, но одновременно увеличивается энергия, расходуемая на поддержание температуры тела.
Таким образом, у хемотрофных организмов основным аккумулятором и основным источником энергии является АТФ. АТФ синтезируется из АДФ и расщепляется с образованием АДФ, поэтому в тканях постоянно осуществляется цикл АДФ - АТФ. Пути синтеза АТФ:
транспорт электронов по дыхательной цепи;
субстратное фосфорилирование – окисление некоторых субстратов обязательно сопровождается синтезом АТФ;
синтез АТФ из других макроэргов (за счёт креатинфосфата);
синтез АТФ из двух молекул АДФ.
АТФ является энергетической разменной валютой клетки.

4.6.2. Особенности энергетического обмена у детей
Они определяются высокими энергозатратами в детском возрасте. Для детей скорость окислительных процессов в течение первого года в три раза выше, чем у взрослых людей, а в более позднем возрасте в два раза. Это проявляется в более высокой потребности в кислороде, калорической ценности рациона, скорости обмена АТФ, активности ферментов энергетического обмена. В то же время, у детей существует несовершенство регуляции энергетического обмена. Может возникать несоответствие между процессами образования энергии и теплоотдачей. В детском возрасте органом термогенеза или теплообразования является бурая жировая ткань, в которой происходит нефосфорилирующее окисление (энергия окисления субстрата используется не на работу, а на образовании тепла).

4.6.3. Нарушение энергетического обмена.
Снижения энергетического обмена - гипоэргические состояния могут возникать при недостатке кислорода, питательных веществ, повреждении митохондрий, разобщении окислительного фосфорилирования под действием токсинов микроорганизмов. Для лечения гипоэргических состояний используют цитохромы, КоQ, витамины. В последнее время расширяются представления об особых гипоэргических состояний, которые обозначаются как митохондриальные болезни Их связывают с мутациями ДНК как митохондриальных, так и ядерных.
4.7. Внемитохондриальное окисление
Внемитохондриальное окисление протекает в ЭПС, пероксисомах, на внешней мембране митохондрий, в цитозоле. Этот вид окисления в разных тканях расходует разное количество кислорода.
Основные функции внемитохондриального окисления:
антитоксическая функция – обезвреживание путём окисления токсических веществ;
синтез новых соединений путём окислительных реакций.
Различают несколько видов внемитохондриального окисления в зависимости от их внутриклеточной локализации и от участвующих компонентов. Во внемитохондриальном окислении принимают участие флавопротеиды, цитохром Р450, цитохром В5, ферменты оксигеназы, пероксидазы.

4.7.1. Окисление с участием оксидаз. Активные формы кислорода
Окисление с участием оксидаз происходит в основном на внешней мембране митохондрий. Оксидазы – аэробные флавиновые дегидрогеназы, которые переносят электроны от окисляемых субстратов по короткой цепи на кислород. Примеры: окисление некоторых аминокислот ферментами аминокислотооксидазами, аминов – аминооксидазами, ксантина – ксантинооксидазами. В результате такого окисления в тканях образуется очень активные радикалы кислорода (АФК)

В физиологических условиях образуется очень незначительное количество активных форм О2. Они выполняют функцию регуляции проницаемости клеточных мембран путём окисления липидов в составе мембран, активности мембранных ферментов, участвуют в синтезе биологически активных эйкозаноидов. Особо важную роль в физиологических условиях АФК играют в фагоцитозе т.к. принимают участие в нескольких механизмах фагоцитоза.
При контакте с чужеродными веществами в фагоцитах активируется мембранная флавиновая оксидаза, под действием которой образуются ион-радикалы О2, вызывающие окисление чужеродного вещества.
В фагоцитах активируется фермент миелопероксидаза, которая путём окисления хлоридов через образование НСLО образует атомарный кислород, который окисляет чужеродные вещества, повышает проницаемость мембран фагоцитов и облегчает эндоцитоз.
Образующийся из NО сильный окислитель ONOO так же участвует в фагоцитозе.
Пептиды – дефензины формируют в оболочках поглощаемых микроорганизмах дополнительные ионные каналы и способствуют разрушению микроорганизмов.
При фагоцитозе потребление кислорода увеличивается в 2-5 раз, и это явление получило название окислительный взрыв
В патологических условиях высокие концентрации активных форм кислорода оказывают токсический эффект, окисляют липиды, белки, нуклеиновые кислоты. NO обладает угнетающим действием на окислительное фосфорилирование. Поэтому в организме для разрушения избыточных концентраций активных форм кислорода существует защитная антиокислительная система. Она представлена ферментами и веществами неферментативной природы. К антиоксиданстным ферментам относятся:
супероксиддисмутаза – разрушает ион-радикал кислорода;
каталаза – разрушает пероксид;
глютатионпероксидаза – разрушает пероксидазы при участии пептида глютатиона.
К неферментативным веществам относят: белки, содержащие SH - группы, глютатион, витамины Е, А, С, некоторые гормоны, белки крови (трансферрин, церулоплазмин), селен.

4.7.2. Окисление с участием оксигеназ.
Окисление с участие оксигеназ наиболее активно протекает в ЭПС. В нём участвуют диоксигеназы и монооксигеназы.
Диоксигеназы – окисляют субстрат путём присоединения двух атомов кислорода по схеме: R + O2 → RO2. Примерами могут служить: окисление гомогентизиновой кислоты диоксигеназой гомогентизиновой кислоты, окисление триптофана трипотофанпирролазой с разрывом пиррольного кольца.



Монооксигеназы окисляют субстраты путём присоединения одного атома кислорода. Данный вид окисления активно происходит в ЭПС печени, где на него тратится до 50% поглощаемого кислорода. В микросомальном окислении участвуют дополнительные вещества – косубстраты НАДН2 или витамин С, выполяющие функцию донора водорода для связывания второго атома кислорода. Микросомальное окисление в основном выполняет антитоксическую функцию (обезвреживаются продукты гниения белков, лекарственные вещества). Путём данного варианта окисления синтезируются некоторые аминокислоты (тир), биогенные амины. Благодаря микросомальному окислению происходит биотрансформация различных ксенобионтов. В них формируется гидроксильная группа, к которой в последующем присоединяются глюкуроновая кислота, Н2SО4, глютатион.

4.7.3. Пероксидазное окисление.
Пероксидазное окисление происходит по схеме:

RН2 + Н2О2 = R + 2 Н2О

Примеры пероксидаз: каталаза, глютатионпероксидаза, йодидпероксидаза (участвует в синтезе тиреоидных гормонов).

5. ОБЩИЕ ПУТИ КАТАБОЛИЗМА
Катаболизм основных органических веществ протекает в несколько этапов. На первом этапе происходит распад сложных веществ до их составных компонентов: белков – до аминокислот, жиров – до глицерина и жирных кислот, углеводов - до моносахаридов. Эти реакции специфичны и не сопровождается высвобождением энергии.
На втором этапе образующиеся мономеры с помощью специфических реакций превращаются в два общих продукта распада: пировиноградную кислоту и ацетил-КоА. На втором этапе высвобождается четверть энергии, заключённой в исходных органических веществах.
На третьем этапе общие продукты катаболизма: пировиноградная кислота (ПВК) и ацетил - КоА включаются в дальнейшее окисление. На этом этапе высвобождается 2/3 всей энергии.
Схема общих путей катаболизма


5.1. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты
Если в процессе катаболизма белков, жиров, углеводов образуется ПВК, для дальнейшего окисления необходим переход её в ацетил КоА. Этот процесс называется окислительным декарбоксилированием пировиноградной кислоты. Он включает два вида реакций: окисление и образование СО2 путём разрушения карбоксильной группы. Окислительное декарбоксилирование пирувата осуществляется при участии пируватдегидрогеназного комплекса.
5.1.1. Пируватдегидрогеназный комплекс
Пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) молекулярной массой 6*106 д., включает в себя три вида ферментов (Е1-Е3) и пять видов коферментов. При этом 2 кофермента (НАД и HS-КоА) находятся в свободном состоянии и входят в состав комплекса только в момент реакции. Общий вид реакции окислительного декарбоксилирования пирувата:


Ферменты пируватдегидрогеназного комплекса
Е1 – пируватдегидрогеназа декарбоксилирующая;
Е2 – дигидролипоилацетилтрансфераза (трансацетилаза);
Е3 – дигидролипоилдегидрогеназа.

Коферменты пируватдегидрогеназного комплекса
Тиаминдифосфат (ТДФ, ТПФ), содержащий витамин В1, кофактор пируватдегидрогеназы.
Липоевая кислота, кофактор трансацетилазы.
Кофермент ФАД, содержащий витамин В2, кофактор дегидрогеназы дигидролипоевой кислоты.
Кофермент НАД, содержащий витамин РР.
Кофермент НS-КоА, содержащий аденин, рибозу, два остатка фосфорной кислоты, пантотеновую кислоту (витамин В3).
Окислительное декарбоксилирование ПВК протекает в несколько стадий, в процессе которых двухуглеродный фрагмент, образующийся из ПВК, переносится на липоевую кислоту, а затем на HS-КоА.



Витамины, входящие в состав пируватдегидрогеназного комплекса
В состав ПДК входит пять витаминов (РР. В2, липоевая кислота, В1, пантотеновая кислота).

Липоевая кислота
Липоевая кислота - витаминоподобное вещество, представляет собой восьмиуглеродную жирную кислоту с двумя -SH группами. Биологическая роль:является коферментом ПДК, участвует в окислении α - кетокислот.

Пантотеновая кислота, витамин В3
Пантотеновая кислота является витамином, который, в свою очередь, включает β - аланин и производное масляной кислоты. Она распространена в животных и растительных продуктах. Суточная потребность в пантотеновой кислоте составляет до 10 мг. Биологическая роль: входит в состав НS- КоА и участвует в окислительном декарбоксилировании α - кетокислот, участвует в активации жирных кислот. Авитаминоз проявляется дерматитом, депигментацией волос, поражением нервной системы.

Витамин В1, тиамин, антиневритный витамин
Витамин В1 включает в свой состав пиримидиновое кольцо, содержит аминогруппу. Суточная потребность в нём составляет 2 мг. Тиамин содержится в злаках, дрожжах. Биологическая роль: входит в состав кофермента ТДФ и участвует в окислительном декарбоксилировании α - кетокислот, является коферментом транскетолазной реакции в пентозофосфатному пути окисления глюкозы. Авитаминоз проявляется полиневритами (болезнь бери-бери).

Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса осуществляется путём фосфолирирования - дефосфолирирования пируватдегидрогеназы

Активаторами ПДК служат АДФ и НАД окисленный. Ингибиторами этого комплекса являются АТФ и НАДН2..

5.1.2. Биологическая роль окислительного декарбоксилирования пирувата Биологическое значение процесса окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты заключается в том, что оно является важным этапом катаболизма, позволяющим включаться в цикл Кребса тем веществам, при распаде которых образуется ПВК. Образовавшаяся молекула НАДН2 окисляется в длинной дыхательной цепи с образованием 3-х молекул АТФ. Окислительное декарбоксилирование пирувата протекает внутри митохондрий.

5.2. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Г. Кребса)
Ацетил-КоА окисляется в цикле трикарбоновых кислот - цикле Кребса. В данном цикле происходит полное окисление ацетил-КоА. Цикл начинается с взаимодействия ацетил-КоА с щавелевоуксусной кислотой (ЩУК), а заканчивается образованием щавелевоуксусной кислоты. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) протекает внутри митохондрий.

5.2.1. Химизм цикла Кребса (цикла трикарбоновых кислот)







5.2.2. Биологическое значение цикла Кребса
Энергетическая функция. Энергетическая эффективность выражается количеством молекул АТФ
В цикле Кребса выделяют 3 реакции, идущие с образованием НАДН2 по схеме:
RH2 + НАД→ R + НАДН2.
Их катализируют ферменты изоцитратдегидрогеназа, кетоглютаратдегидрогеназный комплекс, малатдегтдрогеназа.
Образовавшиеся в ЦТК 3 молекулы НАДН2 в последующем окисляются в длинной ЦПЭ с образованием 9 молекул АТФ (при окислении каждой НАДН2 синтезируется 3 молекулы АТФ).
В ЦТК одна реакция (сукцинатдегидрогеназная) протекает по схеме:
RН2 + ФАД→ R + ФАДН2
Образовавшийся в ЦТК ФАДН2 окисляется в короткой ЦПЭ, давая энергию для синтеза 2 молекул АТФ.
В сукцинилтиокиокиназной реакции ЦТК непосредственно образуется 1 макроэрг – ГТФ (1 ГТФ = 1 АТФ).
В целом общая энергетическая эффективность ЦТК составляет 12 молекул АТФ.
Анаболическая функция заключается в том, что некоторые метаболиты цикла Кребса не окисляются в нём, а используются для синтеза новых веществ.
Например, α - кетоглютаровая используется на синтез глютаминовой кислоты. Сукцинил-КоА используется на синтез гема. Ацетил КоА идёт на синтез жирных кислот, холестерина. Щавелевоуксусная кислота может участвовать в синтезе аспарагиновой кислоты.

Взаимосвязь обмена белков, жиров, углеводов.

5.2.3. Регуляция активности цикла трикарбоновых кислот
Ключевыми ферментами ЦТК являются цитратсинтаза и изоцитратдегидрогеназа. Они ингибируются высокой концентрацией АТФ и НАДН2. Активаторами этих ферментов являются АДФ и НАД окисленный.
Лимитирующим фактором цикла Кребса являются запасы щавелевоуксусной кислоты. Запасы щавелевоуксусной кислоты могут пополняться 2 путями:

А) дезаминированием аспарагиновой кислоты по схеме:
аспарагиновая кислота - NН3 + Н2О → ЩУК;

Б) карбоксилированием пировиноградной кислоты по схеме:
ПВК + СО2 → ЩУК.

6. ОБМЕН И ФУНКЦИИ УГЛЕВОДОВ
Термин углеводы связан с тем, что большинство веществ этого класса соответствуют формуле Сn(H2O)m.

6.1. Содержание углеводов в организме и их биологические функции
Содержание углеводов в организме человека в среднем составляет около 2%. Наиболее высоко содержание углеводов в печени, соединительной ткани.
Углеводы выполняют многие функции в организме:
Энергетическая: при окислении 1 грамма углеводов образуется 4,1 – 4,2 ккал.
Структурная функция: входят в состав клеточных мембран, рецепторов, межклеточного вещества, соединительной ткани.
Входят в состав других важных для организма веществ (нуклеиновые кислоты, АТФ, НАД, ФАД и др.).
Вместе с белками в составе гликопротеидов выполняют специфические функции:
иммунная функция (иммуноглобулины);
транспортная функция (например, трансферрин, церулоплазмин);
ферментативная функция (например,холинэстераза);
рецепторная функция;
коммуникативная функция (межклеточные взаимодействия).

6.2. Классификация углеводов

По способности к гидролизу все углеводы делятся на три группы:
моносахариды,
олигосахариды,
полисахариды (гомополисахариды, гетерополисахариды)

6.2.1. Моносахариды и их производные
По химической природе моносахариды являются альдегидо - или кетоспиртами. В зависимости от числа углеродных атомов выделяют триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы.
Наиболее распространёнными в организме пентозами являются рибоза, дезоксирибоза, рибулоза, ксилулоза. Гексозы организма в основном представлены глюкозой, фруктозой, галактозой, маннозой.

Основными производными моносахаридов в тканях человека являются аминосахара, ацетиламиносахара, гексуроновые кислоты, гликозиды.
Аминосахара – производные моносахаридов, у которых ОН - группа во 2 положении замещена на аминогруппу.
Ацетиламиносахара – производные аминосахаров, у которых к аминогруппе присоединён остаток уксусной кислоты.


Гексуроновые кислоты – производные гексоз, у которых в 6-ом положении содержится СООН - группа.
О - гликозиды – производные циклических форм моносахаридов, у которых к гликозидному гидроксилу присоединён какой-либо спирт.



N-гликозиды – производные моносахаридов, в которых к полуацетальному гидроксилу присоединяется азотсодержащее вещество.

6.2.2. Олигосахариды
Олигосахариды представлены дисахаридами и смешанными олигосахаридами.
К наиболее распространённым дисахаридам относятся мальтоза (2 глюкозы), сахароза (глюкоза и фруктоза), лактоза (галактоза и глюкоза).
Лактоза - специфический дисахарид молока (в грудном молоке её содержится 6,5% или 65 г/л).



Смешанные олигосахариды представлены несколькими углеводами, соединёнными гликозидными связями. Чаще всего в их составе содержатся моносахариды манноза, фруктоза, нейраминовая кислота, галактоза. Олигосахариды в комплексе с белками определяют групповую специфичность крови, резус - фактор, входят в состав иммуноглобулинов, клеточных рецепторов, определяют межклеточные взаимодействия.
В грудном молоке присутствует большое количество специфичных олигосахаридов, например: фукозилактоза (фукоза, галактоза, глюкоза); лакто- N -тетраоза (галактоза,глюкоза, фукоза, N-ацетилглюкозамин), бифидус-фактор.
6.2.3. Полисахариды
Полисахариды представлены гомополисахаридами (состоят из одного вида моносахарида) и гетерополисахаридами (включают разные моносахара и их производные).

6.2.3.1. Гомополисахариды
Основными гомополисахаридами для организма являются крахмал (пищевой полисахарид) и гликоген (резервный полисахарид организма).
Наиболее высокая концентрация гликогена находится в печени – 5%, в мышцах – 2%. Он состоит из цепей циклических форм глюкозы, соединенных 1,4-α-гликозидной связью, ветвящихся за счёт 1,6-альфа-гликозидных связей. Молекулярная масса гликогена высока, достигает 107-109 д. Биологическая роль гликогена: является резервным энергетическим материалом, который очень легко может перейти в глюкозу.

6.2.3.2. Гетерополисахариды (гликозаминогликаны)
Гетерополисахариды гликозаминогликаны (ГАГ) – линейные неразветвлённые полисахариды, построенные из дисахаридных фрагментов, которые, в свою очередь, в свой состав включают гексуроновую кислоту и N - ацетилгексозаминсульфат.
В зависимости от состава дисахаридных фрагментов выделяют несколько видов ГАГ:
гиалуроновая кислота;
хондроитинсульфаты;
кератансульфаты;
гепарин, гепарансульфат.
Гиалуроновая кислота включает в свой состав глюкуроновую кислоту и N-ацетилглюкозамин. Её молекулярная масса достигает 105-107 д. Гиалуроновая кислота содержится в межклеточном веществе соединительной ткани, в синовиальной жидкости, в слизистых секретах. За счёт присутствия большого количества полярных групп гиалуроновая кислота очень гидрофильна (1 грамм её может связать до 500 мл воды). Биологическая роль:
играет роль тканевого цемента, соединяет клетки, волокнистые структуры в единую ткань;
участвует в водно-солевом обмене;
определяет сосудисто-тканевую проницаемость;
придаёт тургор ткани.
Хондроитинсульфаты содержат в своём составе глюкуроновую кислоту, N-ацетилгалактозамин сульфат. Они распространены в хрящевой ткани, коже, сухожилиях. Молекулярная масса их составляет 18-28 тысяч д. Выделяют несколько видов хондроитинсульфатов: хондроитин-4-сульфаты (остаток сульфата в N-ацетилгалактозамине находится в 4 положении), хондроитин-6-сульфаты (сульфат находится в 6 положении), дерматансульфаты (содержат идуроновую кислоту). Биологическая роль хондроитинсульфатов: структурные компоненты соединительной ткани.
Кератансульфаты содержат в своём составе N-ацетилглюкозаминсульфат, галактозу. С возрастом содержание кератансульфатов в межпозвоночных хрящах, в роговице возрастает.
Гепарин включает в свой состав глюкуронатсульфат (или идуронатсульфат), N-ацетилглюкозаминсульфат. Гепарин синтезируется в тучных клетках. Биологическая роль гепарина: является антикоагулянтом, структурным компонентом базальных мембран, активатором некоторых ферментов, выполняет дезинтоксикационную функцию.
Гликозаминогликаны чаще всего находятся в тканях не в свободном состоянии, а в составе протеогликанов.
Протеогликаны (ПГ) – это белковоуглеводные комплексы, в которых содержатся белки (<5%), а углеводная часть представлена гликозаминогликанами. В хрящевой ткани протеогликаны образуют особые структуры – протеогликановые агрегаты. Наиболее распространённым среди них является агрекан. Он имеет структуру, представленную на рисунке. Этот агрегат имеет молекулярную массу до 1 миллиарда д. Наряду большими агрегатами в соединительной ткани присутствуют малые протеогликановые агрегаты, например, бигликаны, в которые входят одна полипептидная цепь и две - три углеводные цепочки.

6.2.3.3. Особенности содержания и обмена гликозаминогликанов и протеогликанов у детей.
Повышено содержание протеогликанов, что обуславливает физиологическую гипергидратацию новорожденных.
Иное распределение ГАГ: преобладает содержание гиалуроновой кислоты по сравнению с уровнем хондроитинсульфатов и кератансульфатов.
Более активен обмен ГАГ.
Относительно высокое выделение ГАГ с мочой.

6.3. Переваривание и всасывание углеводов
Основными пищевыми углеводами являются крахмал и дисахариды. Для взрослых суточная потребность в углеводах составляет 400 - 600 г для детей - 12 г/кг.
В ротовой полости происходит частичное расщепление крахмала под действием α - амилазы слюны, которая расщепляет в крахмале внутренние 1,4 –α - гликозидные связи с образованием декстринов и очень небольшого количества мальтозы.
В желудке отсутствуют ферменты переваривания углеводов, а резко кислая среда ингибирует активность амилазы, поэтому переваривание продолжается только внутри пищевого комка.
Основное переваривание углеводов происходит в тонком кишечнике под действием ферментов поджелудочной железы и слизистой кишечника. Наиболее активным ферментом, осуществлющим полостное переваривание углеводов, является панкреатическая α - амилаза, расщепляющая 1,4 –α -гликозидные связи до точек ветвления крахмала. Ответвления (1,6–α-гликозидные связи) расщепляется дополнительным ферментом 1,6–α -гликозидазой (изомальтазой), который вырабатывается слизистой кишечника.
Ферменты кишечника представлены α- гликозидазами и β - гликозидазами, осуществляющими пристеночное пищеварение углеводов. Основными кишечными ферментами являются:
мальтаза (расщепляет 1,4 –альфа-гликозидные связи в дисахариде мальтозе),
изомальтаза (расщепляет 1,6 - гликозидные связи в крахмале),
сахараза (расщепляет 1, 2- α, β гликозидные связи в дисахариде сахарозе),
лактаза (расщепляет 1,4- β-гликозидные связи в дисахариде лактозе),
гетерогалактозидаза – расщепляет гликозидные связи смешанных олигосахаридов,
β - галактозидаза с оптимумом рН 5.
Под действием перечисленных ферментов полисахариды и дисахариды расщепляются до моносахаридов.

6.3.1. Особенности переваривания углеводов в детском возрасте
Снижена активность амилазы слюны (до 4-х лет).
Преобладает пристеночное переваривание углеводов в тонком кишечнике.
Выше активность лактазы.
Постепенное повышение активности сахаразы с введением прикорма
Снижена активность амилазы поджелудочной железы

6.3.2. Особенности микробиологического статуса кишечника грудного ребёнка
Отсутствует гнилостная микрофлора.
Преобладает бродильная микрофлора (кишечная палочка, ацидофильная флора, бифидофлора, субстратом для которой являются олигосахариды грудного молока).


6.3.3. Всасывание моносахаридов в кишечнике
Возможен как пассивный транспорт моносахаридов в случае высокой концентрации в кишечнике, так и активный транспорт с участием белков - переносчиков и одновременным всасыванием ионов Nа+, которые обеспечивают структурную перестройку транспортных белков. Обратный перенос ионов натрия осуществляется при участии калий - натриевого насоса (К,Na-АТФ-азы).

6.3.3.1. Особенности всасывания углеводов у детей
Более быстрое всасывание углеводов (особенно глюкозы, галактозы)
Могут всасываться декстрины и дисахариды
Всосавшиеся моносахариды по системе воротной вены поступают печень, где примерно половина всосавшихся углеводов депонируется в виде гликогена. Остальная их часть поступает в головной мозг, мышцы и другие ткани.

6.4. Обмен гликогена

6.4.1. Биосинтез гликогена
Гликоген – краткосрочный резерв углеводов в организме. Биосинтез гликогена наиболее активно происходит в печени в течение первых двух часов после приёма углеводов пищи (абсорбтивный период). Глюкоза поступает в гепатоциты и другие ткани с помощью особых переносчиков (ГЛЮТ - транспортёры глюкозы).
На первом этапе глюкоза активируется за счёт АТФ под действием ферментов глюкокиназы (при высоких концентрациях глюкозы) и гексокиназы (при невысоких концентрациях глюкозы).

Затем остаток фосфата переносится в первое положение:

Далее затрачивается макроэрг УТФ с образованием активной формы УДФ-глюкозы:

УДФ-глюкоза удлиняет молекулу гликогена на одну молекулу глюкозы:


Гликогенсинтетаза - регуляторный фермент синтеза гликогена, она активируется путём дефосфорилирования.



Гликогенсинтетаза формирует только 1,4 - α-гликозидные связи, а 1,6- α-гликозидные связи образуются дополнительным ветвящим ферментом –1,4-α → 1,6 - α трансгликозилазой. Данный фермент переносит углеводный фрагмент из положения 1,4 в 1,6 положение.


6.4.2. Распад гликогена
Распад гликогена (мобилизация гликогена до глюкозы) активируется в постабсортивном периоде (при голодании, усиленной физической нагрузке). В печени функционируют два пути распада гликогена: амилолитический путь и фосфоролитический путь
Амилолитический путь заключается в гидролитическом распаде гликогена:

Этот путь катализируют α-амилаза, которая расщепляет внутренние 1,4 -α-гликозидные связи и γ - амилаза, которая отрывает концевые остатки глюкозы.
Основным способом распада гликогена является фосфоролитический путь при участии Н3РО4:

Глюкозо-1-фосфат переходит в глюкозо-6-фосфат под действием фермента фосфоглюкомутазы.
В печени имеются фермент – глюкозо-6-фосфатаза, способный отщеплять остатки Н3РО4 от глюкозо-6-фосфата, переводя глюкозо-6-фосфат в свободную глюкозу.
Фосфорилаза расщепляет только 1,4 -α-гликозидные связи. В расщеплении 1,6 -α-гликозидных связей участвует дополнительный фермент – 1,6 -α-гликозидаза.
Ключевым ферментом распада гликогена является фосфорилаза. В распаде гликогена участвуют активная фосфорилированная форма фосфорилазы (фосфорилаза А). Она образуется из неактивной фосфорилазы В путём фосфорилирования и увеличения олигомерности. Фосфорилаза В является нефосфорилированным димером, а фосфорилаза А представляет собой фосфорилированный тетрамер.


Синтез и распад гликогена подвержены авторегуляции при изменении концентрации глюкозы по приведенной схеме.



У детей обмен гликогена имеет свои особенности. В последний месяц внутриутробного развития активируется синтез гликогена и его содержание достигает до 10% массы печени. В процессе родов происходит усиленный распад гликогена на энергетические цели, и его содержание резко снижается. Синтез гликогена активируется в первые 2-3 месяца после рождения.


6.5. Обмен глюкозы в тканях
Основным метаболитом углеводного обмена является глюкоза. Её содержание в тканях, плазме крови поддерживается на определённом уровне благодаря сбалансированности процессов образования и распада. Фонд глюкозы в тканях пополняется за счёт поступления всосавшихся в кишечнике моносахаридов, при распаде гликогена в печени и путём глюконеогенеза (синтеза глюкозы из других веществ). Глюкоза в тканях расходуется на синтез гликогена, липидов, некоторых аминокислот, производных глюкозы, на образование энергии.

6.5.1. Окисление глюкозы в тканях
Основная функция глюкозы – энергетическая, т.е. при окислении глюкозы в тканях высвобождается энергия. При окислении глюкоза переходит в пировиноградную кислоту (ПВК), которая затем либо полностью окисляется в аэробных условиях, либо превращается в молочную кислоту (лактат) в анаэробных условиях. Процесс окисления глюкозы называется гликолизом.

Чаще под гликолизом понимают превращение глюкозы в молочную кислоту в анаэробных условиях. Распад глюкозы в анаэробных условиях – анаэробный гликолиз.

6.5.1.1. Анаэробное окисление глюкозы
Анаэробный гликолиз включает 2 этапа:
Активация глюкозы с затратой АТФ
Окислительный этап, идущий с образованием АТФ
На первом этапе глюкоза расщепляется на 2 триозы:




Таким образом, на первом этапе гликолиза на активирование глюкозы затрачивается 2 молекулы АТФ и образуется 2 молекулы 3-фософоглицеринового альдегида.
На второй стадии окисляются 2 молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида до двух молекул молочной кислоты.





Значение лактатдегидрогеназной реакции (ЛДГ) состоит в том, чтобы в безкислородных условиях окислить НАДН2 в НАД и сделать возможным протекание глицеро-фосфатдегидрогеназной реакции.



Суммарное уравнение гликолиза:
глюкоза + 2АДФ + 2Н3РО4 → 2лактат + 2АТФ + 2Н2О
Гликолиз протекает в цитозоле. Его регуляцию осуществляют ключевые ферменты – гексокиназа, фософофруктокиназа и пируваткиназа. Эти ферменты активируются АДФ и НАД, угнетаются АТФ и НАДН2.
Энергетическая эффективность анаэробного гликолиза сводится к разнице между числом израсходованных и образовавшихся молекул АТФ. Расходуется 2 молекулы АТФ на молекулу глюкозы в гексокиназной реакции и фосфофруктокиназной реакции. Образуется 2 молекулы АТФ на одну молекулу триозы (1/2 глюкозы) в глицерокиназной реакции и пируваткиназной реакции. На молекулу глюкозы (2 триозы) образуется соответственно 4 молекулы АТФ. Общий баланс: 4 АТФ – 2 АТФ = 2 АТФ. 2 молекулы АТФ аккумулируют в себе ≈ 20 ккал, что составляет около 3% от энергии полного окисления глюкозы (686 ккал).
Несмотря на сравнительно невысокую энергетическую эффективность анаэробного гликолиза, он имеет важное биологическое значение, состоящее в том, что это единственный способ образования энергии в безкислородных условиях. В условиях дефицита кислорода он обеспечивает выполнение интенсивной мышечной работы в начальный период физической нагрузки.
В тканях плода анаэробный гликолиз очень активен в условиях дефицита кислорода. Он остаётся активным в период новорожденности, постепенно сменяясь на аэробное окисление.
Дальнейшее превращение молочной кислоты
При интенсивном поступлении кислорода в аэробных условиях молочная кислота превращается в ПВК и через ацетил КоА включается в цикл Кребса, давая энергию.
Молочная кислота транспортируется из мышц в печень, где используется на синтез глюкозы – цикл Р. Кори.

Цикл Кори

При больших концентрациях молочной кислоты в тканях для предотвращения закисления (ацидоза) она может выделяться через почки.

6.5.1.2. Аэробное окисление глюкозы
Аэробное окисление глюкозы включает 3 стадии:
1 стадия протекает в цитозоле, заключается в образовании пировиноградной кислоты:
Глюкоза → 2 ПВК + 2 АТФ + 2 НАДН2;
2 cтадия протекает в митохондриях:
2 ПВК → 2 ацетил - КоА + 2 НАДН2;
3 стадия протекает внутри митохондрий:
2 ацетил - КоА → 2 ЦТК.
В силу того, что 2 молекулы НАДН2 на первом этапе образуются в цитозоле, а окисляться они могут только в митохондриальной дыхательной цепи, необходим перенос водорода от НАДН2 цитозоля во внутримитохондриальные цепи переноса электронов. Митохондрии непроницаемы для НАДН2, поэтому для переноса водорода из цитозоля в митохондрии существуют специальные челночные механизмы. Их суть отражена на схеме, где Х окисленная форма переносчика водорода, а ХН2 – его восстановленная форма:



В зависимости от того, какие вещества участвуют в переносе водорода через митохондриальную мембрану, различают несколько челночных механизмов.
Глицерофосфатный челночный механизм, в котором происходит потеря двух молекул АТФ, т.к. вместо двух молекул НАДН2 (потенциально 6 молекул АТФ) образуется 2 молекулы ФАДН2 (реально 4 молекулы АТФ).



Малатный челночный механизм работает на вынос водорода из митохондриального матрикса:

Энергетическая эффективность аэробного окисления.
глюкоза → 2 ПВК + 2 АТФ + 2 НАДН2 (→8 АТФ).
2 ПВК→ 2 ацетил КоА + 2 НАДН2 (→6 АТФ).
2 ацетил КоА → 2 ЦТК (12*2 = 24 АТФ).
Итого возможно образование 38 молекул АТФ, из которых необходимо вычесть 2 молекулы АТФ, теряемые в глицерофосфатном челночном механизме. Таким образом, образуется 36 АТФ.
36 АТФ (около 360 ккал) составляют от 686 ккал. 50-60% - это энергетическая эффективность аэробного окисления глюкозы, что в двадцать раз выше, чем эффективность анаэробного окисления глюкозы. Поэтому в тканях при поступлении кислорода анаэробный путь блокируется, и это явление называется эффектом Пастера. У новорожденных аэробный путь начинает активироваться в первые 2-3 месяца жизни.

6.5. 2. Биосинтез глюкозы (глюконеогенез)
Глюконеогенез - это путь синтеза глюкозы в организме из неуглеводных веществ, который способен длительно поддерживать уровень глюкозы при отсутствии углеводов в пищевом рационе. Исходными веществами для него являются молочная кислота, ПВК, аминокислоты, глицерин. Наиболее активно глюконеогенез протекает в печени и почках. Этот процесс внутриклеточно локализован частично в цитозоле, частично в митохондриях. В целом глюконеогенез является процессом обратным гликолизу.

В гликолизе имеются три необратимых стадии, катализируемых ферментами:
пируваткиназа;
фосфофруктокиназа;
гексокиназа.
Поэтому в глюконеогенезе вместо этих ферментов имеются специфические ферменты, которые осуществляют обход этих необратимых стадий:
пируваткарбоксилаза и карбоксикиназа (обходят пируваткиназу);
фруктозо-6-фосфатаза (обходит фосфофруктокиназу);
глюкозо-6-фосфатаза (обходит гексокиназу).



Ключевыми ферментами для глюконеогенеза являются пируваткарбоксилаза и фруктозо-1,6-дифосфатаза. Активатором для них являются АТФ (на синтез одной молекулы глюкозы необходимо 6 молекул АТФ)


6.5.2.1. Витамин Н
В глюконеогенезе участвует витамин Н (биотин, антисеборейный витамин), который по химической природе представляет собой серосодержащий гетероцикл с остатками валериановой кислоты. Он широко распространён в животных и растительных продуктах (печень, желток). Суточная потребность в нём составляет 0,2 мг. Авитаминоз проявляется дерматитом, поражением ногтей, увеличением или уменьшением образования кожного жира (себорея). Биологическая роль витамин Н:
участвует в реакциях карбоксилирования;
участвует в реакциях транскарбоксилирования;
участвует в обмене пуриновых оснований, некоторых аминокислот.
Глюконеогенез активен в последние месяцы внутриутробного развития. После рождения ребёнка активность процесса возрастает, начиная с третьего месяца жизни.
6.6. Пентозофосфатный путь окисления глюкозы
Пентозофосфатный путь - альтернативный аэробный способ окисления глюкозы, в котором из глюкозы образуются пентозофосфаты. Данный путь иногда называется апотомическим (верхушечным) окислением. В нём выделяют 2 этапа: окислительный (необратимый) и неокислительный (обратимый).
Окислительная часть заключается в окислении глюкозы с последующим выделением
СО2 и переходом глюкозы в пентозы. В окислительных реакциях генерируется НАДФН2.


Неокислительная часть заключается в обратимых ферментативных реакциях переноса фрагмента одного углевода на молекулу другого с образованием из пентоз глюкозо-6-фосфата. При этом в каждой неокислительной реакции общее число углеродных атомов в новых веществах равно числу углеродных атомов в исходных веществах.
Одна молекула рибулозо-5-фосфат переходит в ксилулозо-5-фосфат при участии изомеразы, вторая - в рибозо-5-фосфат при участии эпимеразы.
Затем двухуглеродный фрагмент под действием транскетолазы переносится с ксилулозо-5-фосфата на рибозо-5-фосфат с образованием седогептулозо-7-фосфата и 3-фосфоглицеринового альдегида. С седогептулозо-7-фосфата трёхуглеродный фрагмент под действием трансальдолазы переносится на 3-фосфоглицериновый альдегид с образованием эритрозо-4-фосфата и фруктозо-6-фосфата. Фруктозо-6-фосфат переходит в глюкозо-6-фосфат и повторно включается в пентозофосфатный цикл.



Образовавшийся в трансальдолазной реакции эритрозо-4- фосфат взаимодействует ещё с одной молекулой ксилулозо-5-фосфата при участии транскетолазы с образованием фруктозо-6-фосфата и 3-фосфоглицеринового альдегида.

Итоговое уравнение пентозофосфатного пути:
6 молекул глюкозы + 12 НАДФ → 5 молекул глюкозы + 6 СО2 + 12 НАДФН2
Биологическая роль первого этапа пентозофосфатного пути у взрослого человека состоит в выполнении двух важных функций:
он является поставщиком пентоз, которые необходимы для синтеза нуклеотидов, как структурных компонентов нуклеиновых кислот, коферментов, макроэргов.
служит источником НАДФН2, который, в свою очередь, используется:
в восстановительных синтезах стероидных гормонов, жирных кислот.
активно участвует в обезвреживании токсичных веществ в печени.
в эритроцитах НАДФН2 восстанавливает трипептид глютатион, обеспечивая тем самым резистентность эритроцитов.
Значение второго этапа состоит в том, что он даёт возможность утилизировать излишки пентоз путём их биотрансформации в гексозы.
Пентозо - фосфатный путь, выполняя в основном пластическую функцию, активен в таких тканях как лактирующая молочная железа, жировая ткань, надпочечники.
В детском возрасте пентозофосфатный путь протекает активнее, чем у взрослых. На первом году жизни он выполняет не только пластическую функцию, но также и энергетическую функцию. В пентозофосфатном пути полное окисление одной молекулы глюкозы образует 12 молекул НАДФН2 (это потенциально 36 АТФ).
Благодаря реакциям взаимопревращения углеводов возможно усвоение таких моносахаров как фруктозы и галактозы.

6.7. Утилизация фруктозы и её нарушения
Фруктоза поступает в организм с мёдом, фруктами и различно усваивается у детей и у взрослых людей.
У детей:


Возможны врожденные нарушения усвоения фруктозы у детей. Фруктозурия развивается при снижении активности кетогексокиназы. В этом случае фруктоза не переходит в последующие продукты, увеличивается её концентрация в крови, следовательно, увеличивается её выведение с мочой, так как порог почек для фруктозы невелик. Фруктоземия (непереносимость фруктозы) наблюдается при отсутствии фруктозо-1-фосфат-альдолазы. Проявлением её является поражением центральной нервной системы, печени.
У взрослого человека:

6.8. Усвоение галактозы и его нарушения
Галактоза поступает в организм в составе молочных продуктов. На первом этапе и у взрослых людей и у детей активация галактозы происходит одинаково с образованием галактозо-1-фосфата.

У детей затем происходит реакция:

При врожденном дефекте этого фермента развивается заболевание галактоземия (непереносимость галактозы). При галактоземии развиваются катаракта (помутнение хрусталика), поражение центральной нервной системы и паренхиматозных органов, т.к. галактоза-1-фосфат токсичен в высоких концентрациях.
У взрослых людей:

Усвоение фруктозы и галактозы наиболее активно протекает в печени.

6.9. Взаимные превращения углеводов (гексоз)
Для усвоения различных моносахаридов, поступающих с пищей, необходимо их превращение в глюкозу, которая затем может депонироваться в виде гликогена. Из глюкозы, наоборот, возможен синтез её производных или других необходимых тканям гексоз. Взаимопревращения моносахаридов возможны только в их активной форме. Используется две активные формы гексоз: гексозо-6 -фосфат и УДФ - гексоза.
Гексозо-6 фосфат используется для синтеза:
Синтез аминосахаров с участием амидотрансфераз

Синтез кетогексоз из альдегидогексоз (и наоборот) с участием изомераз

УДФ - гексозы используются для синтеза:
Синтез гексуроновых кислот с участием дегидрогеназ

Эпимеризация гексоз с участием эпимераз

Синтез олигосахаридов и полисахаридов с участием гликозилтрансфераз


Перенос УДФ с одной гексозы на другую с участием уридилтрансфераз


6.10. Особенности обмена глюкозы в различных тканях

Ткань
Преобладающие виды обмена глюкозы

Мозг
Аэробное окисление

Мышцы
Анаэробное (гликолиз) и аэробное окисление

Печень
Обмен гликогена, глюконеогенез

Жировая ткань
Пентозный путь

Эритроциты
Анаэробный гликолиз, пентозный путь


6.11. Регуляция углеводного обмена
Возможны различные варианты регуляции:
Авторегуляция на клеточном уровне осуществляется путём либо аллостерических механизмов изменения активности ферментов либо путём фосфорилирования - дефосфорилирования. Например, АТФ и АДФ являются аллострическими регуляторами ключевых ферментов гликолиза и глюконеогенеза: высокая концентрация АТФ активирует ферменты глюконеогенеза, а высокая концентрация АДФ активируют ключевые ферменты гликолиза. Высокая концентрация сукцинил -КоА является аллостерическим активатором фермента пируваткарбоксилазы (высокая концентрация янтарной кислоты, активен ЦТК, поэтому активируется глюконеогенез, требующий затрат АТФ из ЦТК).
Нервная регуляция, подтверждением которой является сахарный укол - раздражение дна четвертого желудочка приводит к повышению уровня глюкозы в крови.
Эндокринная регуляция при участии гормонов гипофиза, щитовидной железы, поджелудочной железы и надпочечников.
Механизм действия гормонов в конечном итоге сводится к изменению активности ферментов углеводного обмена либо аллострическим путём, либо путём фосфорилирования - дефосфорилрования ферментов. Свой эффект гормоны реализуют с участием посредников. Одним из посредников является цикло-АМФ.


Инсулин- гормон белковой природы, вырабатывается β - клетками островков поджелудочной железы в ответ на повышение уровня глюкозы в крови. В целом оказывает гипогликемическое действие (снижается содержание глюкозы в крови). Механизм действия инсулина сложен и многообразен. Инсулин увеличивает проницаемость тканей для глюкозы, активирует синтез активного изомера фермента гексокиназы. В результате усиливается использование глюкозы в тканях для синтеза гликогена, синтеза жиров, синтеза некоторых аминокислот. Одновременно тормозится процесс распада гликогена, глюконеогенез.
Глюкагон- гормон пептидной природы, образуется в α - клетках поджелудочной железы, его называют гормоном голода. Оказывает гипергликемическое действие. Этот эффект реализуется в основном за счёт усиления распада гликогена в печени (фосфоролиз). В меньшей степени глюкагон активирует глюконеогенез. Рецепторы для глюкагона имеются в печени и жировой ткани.
Адреналин - гормон мозгового слоя надпочечников, является производным аминокислоты тирозина. Рецепторы к адреналину содержатся в печени, жировой ткани и в мышцах. Этот гормон называют гормоном тревоги. Он обладает гипергликемическим эффектом путём активации распада гликогена в печени.
Тироксин, трийодтиронин - производные тирозина. В физиологических концентрациях тиреоидные гормоны увеличивают потребление кислорода, активирует синтез многочисленных ферментов углеводного обмена и в целом оказывают гипергликемическое действие.
Кортизон, кортизол, дезоксикортикостерон (глюкокортикоиды) – производные холестерина. Вырабатываются в корковом слое надпочечников. Рецепторы к ним имеются в мышечной ткани, соединительной ткани, печени. Эти гормоны обладают гипергликемическим действием за счёт усиления распада аминокислот в периферических тканях и усиления синтеза глюкозы в печени (активируют глюконеогенез).
Кортикотропин, соматотропин – гормоны задней доли гипофиза, повышают уровень глюкозы в крови опосредованно.

6.12. Патология углеводного обмена

6.12.1. Нарушение переваривания и всасывания углеводов
Проявляется снижением переваривания дисахаридов (лактозы, сахарозы) в результате снижения активности соответствующих ферментов тонкого кишечника – лактазы и сахаразы. В детском возрасте они наблюдаются при использовании в пищу соответствующих дисахаридов. Данные аферментозы проявляются диареей, метеоризмом, так как нерасщепившиеся дисахариды создают высокое осмотическое давление, способствуют потере воды и служат субстратом для бродильной микрофлоры. Возможны дефекты всасывания моносахаридов в результате отсутствия белков - переносчиков этих моносахаридов. Нарушение переваривания и всасывания углеводов обозначают термином мальабсорбция.

6.12.2. Нарушения содержания глюкозы в крови
У здорового человека величина уровня глюкозы в крови относится к биохимическим константам = 3,3 – 5,5 (до 6,0) ммоль/л. Повышение уровня глюкозы – гипергликемия. Причинами этого симптома могут являться:
алиментарная пищевая гипергликемия;
травмы ЦНС;
состояния после наркоза и операции;
стресс;
различные эндокринные заболевания (сахарный диабет, гиперфункция щитовидной железы, надпочечников, гипофиза).
Снижение уровня глюкозы в крови – гипогликемия. Гипогликемия может наблюдаться:
при голодании;
при заболеваниях печени;
при заболевании почек (почечный порог для глюкозы составляет 8-11 ммоль/л);
при эндокринных заболеваниях (гиперинсулинизм, гипофункция контринсулярных эндокринных желез).
В детском возрасте в первые дни жизни наблюдается преходящая гипогликемия новорожденных, при которой уровень глюкозы колеблется на уровне 1,7 – 4,2 ммоль/л. Её причины:
прекращение поступления глюкозы из организма матери;
усиление расхода гликогена и глюкозы в процессе рождения;
слабость процесса глюконеогенеза.
В тяжелых случаях могут развиваться судороги, нарушение функции центральной нервной системы.

6.12.3. Нарушения тканевого обмена углеводов
Фруктоземия, галактоземия (см. раньше)
К тканевым дефектам относят различные гликогеновые болезни. Гликогенозы - врожденные заболевания, при которых наблюдается снижение активности ферментов распада гликогена. Агликогенозы характеризуются снижением активности ферментов синтеза гликогена. Для многих гликогенозов характерны гипогликемия, мышечная слабость, увеличение печени. Различают более десяти разновидностей гликогеновых болезней: Примеры гликогеновых болезней:
болезнь Гирке – отсутствие фермента глюкозо-6-фосфатазы;
болезнь Помпе – отсутствие фермента 1,4-α-гликозидазы;
болезнь Андерсена – отсутствие фермента 1,6-α-гликозидазы.
Снижение активности глюкозо-6-фосфатдегидрогиназы пентозофосфатного пути ведёт к снижению образования НАДФН2, снижению восстановления глютатиона- SН. В результате снижается устойчивость эритроцитов, развивается анемия.
Мукополисахаридозы - нарушение обмена мукополисахаридов характеризуется врожденным отсутствием некоторых ферментов распада ГАГ. Они проявляются нарушением костно-хрящевой ткани, ЦНС. Выделяется около 12 видов мукополисахаридозов. Примеры мукополисахаридозов:
болезнь Гурлера – дефект фермента идуронизазы;
болезнь Слая – дефект фермента β - гликозидазы.
Сахарный диабет.
В настоящее время принято выделять две формы сахарного диабета:
диабет первого типа, инсулинозависимый, связанный с недостатком инсулина и диабет второго типа, инсулинонезависимый, связанный со снижением чувствительности тканевых рецепторов к инсулину. При сахарном диабете основные клинические симптомы объясняются усилением катаболизма белков, жиров, углеводов. В большей степени страдает углеводный обмен. Недостаток инсулина снижает проницаемость глюкозы в ткани, в результате этого увеличивается уровень глюкозы в крови – гипергликемия. Ткани испытывают голод среди изобилия, в них компенсаторно увеличивается глюконеогенез, который увеличивает уровень глюкозы в крови. На фоне гипергликемии происходит потеря глюкозы через почки, возникает гликозурия. Дефицит глюкозы в тканях усиливает распад белков и жиров, что сопровождается усилением образования кетоновых тел, развивается кетонурия. Глюкоза и ацетоновые тела осмотически активны, их выведение с мочой приводит к усиленной потере воды, развивается симптом полиурии. В результате повышенной потери воды из организма происходит обезвоживание тканей, и это сопровождается повышением чувства жажды, усиливается чувство аппетита. Осложнения сахарного диабета связаны с гликозилированием белков. Гликозилирование гемоглобина с повышением содержания НвА1с выше 6,5% сопровождается анемией. Гликозилирование белков базальной мембраны приводит к ангиопатии, ретинопатии, тромбозу. Появление гликозилированных белков ведёт к образованию антител, запускается аутоиммунный механизм заболевания.
Для ранней диагностики сахарного диабета используют метод сахарных нагрузок (гликемических кривых), который оценивает толерантность (выносливость) организма к глюкозе. При его проведении натощак определяют уровень глюкозы крови. Затем даётся нагрузка глюкозой в виде сладкого питья глюкозы (у взрослого человека из расчёта 1-2 г на килограмм массы) и после этого в течение двух часов с интервалом 30 минут определяют уровень глюкозы в крови. По полученным цифрам строят гликемическую кривую, на которой оценивают три основные точки:
Исходный уровень глюкозы (в норме у взрослого, здорового человека до 6 ммоль/л);
Максимальный подъем не более в 1,5- 1.7 раза;
Уровень глюкозы к концу второго часа должен вернуться к норме.

При недостатке инсулина кривая имеет диабетоидный характер (верхняя кривая на графике), свидетельствует о недостаточной выработке инсулина в ответ на сахарную нагрузку, т.е. о сниженной толерантности организма к глюкозе.








7. ОБМЕН И ФУНКЦИИ ЛИПИДОВ

7.1. Спиртовой и жирнокислотный состав основных липидов тканей человека
Липиды (жиры и жироподобные вещества) – неоднородные в химическом отношении органические вещества, нерастворимые в воде, но растворимые в органических растворителях.
Они состоят из различных спиртов и жирных кислот. Спирты представлены глицерином, сфингозином, холестерином



В тканях человека преобладают длинноцепочечные жирные кислоты с чётным числом углеродных атомов. Различают насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты.






















7.2. Классификация липидов
Наиболее принятой является классификация жиров по виду спирта, входящего в состав жира. Согласно ей выделяют:
глицеринсодержащиелипиды:
а) триацилглицерины (жиры);
б) глицерофосфолипиды;
сфингозинсодержашиелипиды:
а) сфингофосфолипиды;
б) сфингогликолипиды (цереброзиды, ганглиозиды);
холестеринсодержащиелипиды:
а) свободный холестерин;
б) эфиры холестерина, стероиды.

7.2.1. Глицеринсодержащие липиды

7.2.1.1. Триацилглицерины (ТАГ)
Триацилглицерины (нейтральные жиры) - это сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот.

Консистенция жиров определяется их жирнокислотным составом: ненасыщенные кислоты преобладают в жидких жирах (маслах), насыщенные – в твёрдых жирах. В жирах тканей человека приблизительно 2/3 составляют ненасыщенные жирные кислоты (преобладают пальмитоолеиновая и олеиновая кислота), 1/3 приходится на насыщенные жирные кислоты (преобладают пальмитиновая и стеариновая кислоты). Температура плавления жиров тканей человека составляет 15оС, следовательно, в организме человека жиры находятся в жидком состоянии. Триацилглицерины более чем на 90% являются резервным энергетическим материалом организма

7.2.1.2. Глицерофосфолипиды (ФЛ)
Большинство глицерофосфолипидов построены на основе фосфатидной кислоты, состоящей из глицерина, двух остатков жирных кислот и остатка Н3РО4:


В различных фосфолипидах остаток фосфатидной кислоты (фосфатидил) соединяется эфирной связью с дополнительными компонентами, имеющими спиртовую группу: с холином, коламином, серином, инозитом. В ацетальфосфатидах (плазмалогенах) в альфа - положении содержится не жирные кислоты, а их альдегид. Кардиолипины представляют собой дифосфатидилглицерины.




Все фосфолипиды являются дифильными веществами, т.е. содержат в своем составе гидрофильную (I) и гидрофобную часть (II), в силу чего являются структурными компонентами клеточных мембран.



7.2.2. Сфингозинсодержащие липиды
В основе сфинголипидов содержится церамид, состоящий из спирта сфингозина и жирной кислоты, присоединённой амидной связью



7.2.2.1. Сфингофосфолипиды (сфингомиелины)
Сфингофосфолипиды состоят из церамида, Н3РО4 и азотсодержащего вещества (холин, коламин и другие)



Сфингофосфолипиды в большом количестве входят в состав клеточных мембран головного мозга, в состав сурфактанта лёгких. В эмбриогенезе их содержание в тканях постепенно возрастает, поэтому содержание сфингофосфолипидов в амниотической жидкости характеризует степень зрелости плода.

7.2.2.2. Сфингогликолипиды
Сфингогликолипиды представлены цереброзидами и ганглиозидами.
Цереброзиды содержатся преимущественно в белом веществе головного мозга, состоят из церамида и галактозы.
Ганглиозиды состоят из церамида и олигосахаридных фрагментов, в которых концевое положение обычно занимают сиаловые кислоты. Ганглиозиды преобладают в сером веществе головного мозга, входят в состав клеточных рецепторов, участвуют в связывании некоторых токсинов, чужеродных веществ, участвуют в механизмах памяти, в иммунных реакциях.



7.2.3. Холестеринсодержащие липиды
Холестерин входит в состав клеточной мембраны (его содержание составляет около 2%), является источником синтеза других стероидов организма (жёлчные кислоты, витамин D, стероидные гормоны). В тканях он находится как в свободном состоянии, так и в виде эфиров (стероиды).


7.3. Содержание липидовв организме человека
Общее содержание липидовв тканях организма человека очень вариабельно и может составлять 10-20% массы тела, причём жиров является структурными жирами, а приходится на резервные жиры. У новорожденных содержание ниже, чем у взрослых людей (8-16%), у недоношенных 3-4%. В течение первого года жизни содержание жиров в организме увеличивается до 28%.

7.4. Биологические функции липидов
Энергетическая функция: снабжают организм энергией. Калорическая ценность жиров выше, чем у углеводов и белков (1г жира даёт при окислении около 9 ккал). Энергетическую роль выполняют резервные жиры.
Пластическая функция: липиды входят в состав всех мембран.
Регуляторные функции:
а) липиды определяют проницаемость клеточных мембран, регулируют активность мембранных ферментов;
б) из липидов синтезируются особые тканевые гормоны эйкозаноиды, стероидные гормоны.
Защитная функция: липиды создают механическую защиту внутренних органов от повреждений и травм.
Терморегуляторная функция: липиды подкожной клетчатки снижают теплоотдачу организма.
Участвуют в проведении нервных импульсов, формируют миелиновые оболочки нервных пучков, играющие роль электроизолятов.
Липиды растворяют жирорастворимые витамины.
Жиры являются важными источниками эндогенной воды.

7.5. Структура и функции клеточных мембран
Состав клеточных мембран. В состав клеточных мембран в различных соотношениях входят белки, жиры и углеводы. На долю белков в среднем приходится 50%, липидов - 30%, углеводов - 10%.
Белки представлены ферментами, структурными, транспортными, рецепторными белками. Около половины липидов мембран составляют глицерофосфолипиды, треть приходится на холестерин, меньшая часть - на сфинголипиды. Углеводы клеточных мембран представлены компонентами гликосфинголипидов, гликопротеидов.
Структура клеточных мембран. В настоящее время общепринятой является мозаичная структура клеточной мембраны. Согласно этой модели, основу клеточной мембраны составляют глицерофосфолипиды, которые ориентированы в мембране таким образом, что гидрофильные участки находятся на поверхности, а гидрофобные в глубине клеточной мембраны. В силу дифильности глицерофосфолипиды образуют билипидный слой. Фосфолипиды в клеточных мембранах располагается ассимитрично, на поверхности плазматической мембраны находятся в основном фосфатидилхолин, а внутри фосфатидилколамин и фосфатидилсерин.
Белки в клеточных мембранах делятся на поверхностные белки и интергральные. Интегральные белки обычно расположены в мембране асимметрично. Толщину мембраны пронизывает гидрофобные участки белка, чаще всего уложенные в виде альфа - спирали, С-конец полипептидной цепи находится на внутренней поверхности, а N-конец на внешней поверхности мембраны. Очень часто к N-концевому фрагменту присоединяются углеводы, выполняющие рецепторную функцию. Гидрофобные части белка связываются с гидрофобными участками липидов, а гидрофильные с гидрофильными участками липидов.
Физико-химические свойства мембран определяются химическим составом мембран и температурой окружающей среды. Жёсткость мембранам придают холестерин и насыщенные жирные кислоты. Непредельные жирные кислоты определяют текучесть липидов клеточной мембраны. При низкой температуре фосфолипиды достаточно жёстко зафиксированы в составе мембраны, при повышении температуры возможно перемещение липидов. При температуре тела липиды находятся в жидко – кристаллическом состоянии.

Функции клеточных мембран
Разделительная функция – мембраны придают форму клеткам, формируют внутренние отсеки, взаимодействуют со структурой цитоскелета.
Коммуникативная функция – мембраны обеспечивают межклеточные контакты с помощью рецепторов.
Метаболическая функция – в клеточные мембраны встроены мембранные ферменты.
Транспортная функция – через мембрану осуществляется транспорт веществ.
Рецепторная функция – избирательное взаимодействие рецепторов мембран с различными веществами.
Транспорт веществ через клеточные мембраны
Пассивный транспорт веществ, который осуществляется по градиенту концентрации через соответствующие мембранные каналы.
Активный транспорт против градиента концентрации с использованием энергии АТФ.
Облегчённый транспорт, в котором участвуют особые дополнительные транспортные белки, осуществляющие или однонаправленное перемещение двух веществ, или разнонаправленное перемещение двух веществ через мембрану.
4. Транспорт макромолекул осуществляется путём эндоцитоза или экзоцитоза.

7.6. Переваривание нейтральных жиров
Для взрослого человека суточная потребность в жирах составляет от 70-80 г до 100 г, для детей 5 – 7 г/кг.
У взрослых людей процесс пищеварения происходит в тонком кишечнике. Необходимыми условиями для этого являются:
- наличие ферментов;
- оптимальное рН;
- эмульгирование жиров.
Необходимость эмульгирования жиров связана с водонерастворимостью жиров. Водорастворимые ферменты могут действовать на жиры только на поверхности жировой капли. Эмульгирование повышает поверхность раздела липид / вода и обеспечивает большую поверхность контакта фермента и жира. В эмульгировании жиров основную роль играют жёлчные кислоты, выделяемые в просвет кишечника в составе жёлчи.
Различают простые и парные, первичные и вторичные жёлчные кислоты:
Простые жёлчные кислоты являются производными холановой кислоты.



К простым жёлчным кислотам относятся холевая, дезоксихолевая кислота, хенодезоксихолевая и литохолевая кислоты.
Синтез жёлчных кислот из холестерина происходит в печени. Ключевым ферментом является 7 – α -гидроксилаза. Она переводит холестерин при участии цитохрома Р450 в 7-α - холестерин - 3,7 (ОН)2. Он, в свою очередь, переходит в хенодезоксихолевую кислоту - 3,7 (ОН)2 путём укорочения бокового радикала и в холевую кислоту - 3,7,12 (ОН)3. Эти две кислоты являются первичными жёлчными кислотами.
Полярность простых жёлчных кислот увеличивается при образовании парных жёлчных кислот путём присоединения глицина (гликокола) и таурина.



У взрослого человека до 80% всех жёлчных кислот представлено гликохолевой и таурохолевой кислотами. В кишечнике под действием микрофлоры происходит отцепление таурина, гликокола и ОН группы в 7 положении с образованием вторичных желчных кислот: дезоксихолевой и литохолевой.





Все жёлчные кислоты относятся к поверхностно активным веществам, имеющим в своем составе гидрофобные и гидрофильные участки. Гидрофильными являются ОН - группы, остатки таурина и гликокола, а гидрофобными – радикал жёлчной кислоты. Благодаря дифильности жёлчные кислоты располагаются в поверхностном слое жировой капли и уменьшают поверхностное натяжение.



В результате снижения поверхностного натяжения под действием перистальтики кишечника, выделения СО2 в результате нейтрализации бикарбонатами соляной кислоты желудочного содержимого происходит дробление крупных капель жира на множество мелких – эмульгирование, резко возрастает поверхность соприкосновения капель ира и ферментов.
Липолитические ферменты, участвующие в переваривании жиров, активны при pН 8 – 8,5. Такая среда обеспечивается секрецией бикарбонатов поджелудочной железой.
Основные ферменты переваривания жиров вырабатываются поджелудочной железой и стенкой тонкого кишечника.
В переваривании ТАГ участвует поджелудочная липаза. Она вырабатывается в неактивной форме, и в тонком кишечнике взаимодействует с дополнительным белком колипазой, который повышает активность липазы и обеспечивает контакт фермента с соответствующими жирами. Поджелудочная липаза отщепляет последовательно остатки жирных кислот из α - положений с образованием β – моноацилглицерина (β -МАГ)


Образующиеся бета-МАГ в случае изомеризации в α –МАГ могут в дальнейшем подвергаться расщеплению под действием липазы до глицерина и жирных кислот. Около 50% МАГ подвергается всасыванию.
Переваривание глицерофосфолипидов происходит под действием ферментов фосфолипаз поджелудочной железы. Под действием фосфолипазы А2 отщепляется остаток жирной кислоты из β – положения с образованием продукта неполного распада глицерофосфолипида – лизофосфолипида, содержащего в β – положении гидрофильную гидроксильную группу. Лизофосфолипиды являются поверхностно активными веществами и усиливают процессы эмульгирования жиров. Лизофосфолипиды расщепляются лизофосфолипазой на жирную кислоту и глицерофосфохолин, который хорошо всасывается без гидролиза. Таким образом, при распаде глицерофосфолипидов образуются жирные кислоты и глицерофосфохолин.



Эфиры холестерина они расщепляются ферментом холестеролэстеразой.

Переваривание сфинголипидов осуществляется ферментами эстеразами, фосфатазами, амидазами, гликозидазами.



7.7. Всасывание продуктов расщепления жиров
Всасывание продуктов расщепления жиров происходит в тонком кишечнике и определяется водорастворимостью или водонерастворимостью образовавшихся продуктов расщепления жиров. Водорастворимые вещества (глицерин, холин, Н3РО4) легко всасывается по градиенту концентрации.
Водонерастворимые вещества (β-МАГ, холестерин, длинноцепочечные жирные кислоты) не могут всасываться самостоятельно. В их всасывании участвуют жёлчные кислоты, которые образуют в просвете кишечника особые сферические водорастворимые структуры – мицеллы, в которые встраиваются гидрофобные жирные кислоты, холестерин. В процессе всасывания мицеллы распадаются, все водонерастворимые вещества подвергаются всасыванию. Жёлчные кислоты частично возвращаются в просвет кишечника, но в основном проходят процесс гемато-гепато-энтеральной циркуляции: всасываются, с током крови возвращаются в печень и повторно выделяются в состав жёлчи в просвет кишечника. Вследствие многократной циркуляции жёлчных кислот их небольшого количества (4 - 6 г) оказывается достаточным для всасывания большого количества гидрофобных продуктов. 10% короткоцепочечных жирных кислот может всасываться в виде тончайшей эмульсии путём иноцитоза.
7.8. Ресинтез жиров в слизистой тонкого кишечника
Ресинтез – синтез из компонентов пищевых жиров липидов, характерных для организма человека. Недостающие жирные кислоты, спирты, необходимые для ресинтеза, могут синтезироваться в клетках слизистой кишечника (энтероцитах) и выделяться в составе жёлчи. Ресинтез триацилглицеринов происходит из активной формы глицерина и жирных кислот последовательно через стадию моноацилглицерина, диацилглицерина. Ресинтез глицерофосфолипидов происходит из фосфатидной кислоты, фосфохолина и диацилглицеринов. Ресинтезу подвергаются и другие виды липидов.

7.9. Особенности переваривания и всасывании жиров у детей
Главная особенность переваривания жиров в раннем детском возрасте заключается в том, что примерно половина жиров частично расщепляется в желудке. Данная особенность обусловлена следующими обстоятельствами:
жиры молока находится в эмульгированном состоянии;
при грудном вскармливании в переваривании жиров участвует липаза грудного молока;
в процессе сосания у грудного ребёнка вырабатываются лингвальная и фарингальная липазы, которые оказывают эффект в желудке;
активно вырабатывается желудочная липаза с оптимумом рН около 5,0;
у детей в желудке менее кислая среда, приближенная к оптимуму рН для липаз;
активность панкреатической липазы у детей снижена;
в детском возрасте менее активен синтез жёлчных кислот, повышена их потеря через кишечник и замедлена гепато – энтеральная циркуляция.
Всасывание продуктов гидролиза жиров у детей происходит с большей скоростью, чем у взрослых в связи с высокой проницаемостью слизистой кишечника, а также в связи с наличием в жирах грудного молока большого количества средне – цепочечных жирных кислот.

7.10. Транспорт липидов кровью
Гидрофобные жиры не могут транспортироваться кровью самостоятельно. Они переносятся в следующих формах:
липопротеиды (липопротеины) – белково-липидные комплексы;
хиломикроны – жировые капли, образующиеся в млечном соке;
свободные жирные кислоты транспортируются в комплекте с альбуминами.
Хиломикроны - это мельчайшие капельки жира с размерами около 500 нм, плотностью 0,95 г/см3, состоящие из 2% белка и 90% ТАГ. Хиломикроны синтезируются в слизистой кишечника, считаются транспортной формой пищевых (экзогенных) жиров в организме. Хиломикроны попадают сначала в лимфу, а затем разносятся кровью в основном в жировые депо (>50%), а также в печень, лёгкие, мышечную ткань.
Липопротеиды (ЛП) являются основной транспортной формойлипидов.
По электрофоретической подвижности различают: пре β - ЛП, β - ЛП, α - ЛП
По плотности выделяют:
- ЛП очень низкой плотности (ЛПОНП);
- ЛП низкой плотности (ЛПНП);
- ЛП высокой плотности (ЛПВП);
- ЛП промежуточной плотности;
- ЛП очень высокой плотности.

Все ЛП построены по общему принципу. В центре частицы находится гидрофобное ядро, в которое входят ТАГ и эфиры холестерина (Эх), вокруг него формируется гидрофильная оболочка, в которую входят фосфолипиды (ФЛ), холестерин (Х-ОН). На поверхности располагаются белки - апопротеины (АроPt).
Различают несколько видов АроPt: A, B, C, E. Они формируют структуру липопротеидных частиц, взаимодействуют с тканевыми рецепторами к ЛП, являются активаторами ферментов обмена ЛП.
ЛП осуществляют транспорт липидов, жирорастворимых витаминов и гидрофобных гормонов.
Закономерности строения липопротеидов в ряду: ЛПОНП →ЛПНП→ЛПВП представлены в таблице.

Липопротеиды

ЛПОНП
ЛПНП
ЛПВП

Размеры уменьшаются
80 нм
25 нм
10 нм

Плотность возрастает
1,006 г/см3
1,006-1,06 г/см3
1,25 г/см3

% содержания белков увеличивается
10%
25%
50-60%

% содержания липидов уменьшается
60% ТАГ
45-48% холестерин
30% холестерин
30% ФЛ


ЛПОНП – синтезируется в печени, считаются основной транспортной формой эндогенных жиров. В эндотелии сосудов ЛПОНП и хиломикроны подвергаются действию фермента липопротеидной липазы, которая расщепляет в их составе ТАГ. В результате в составе ЛП повышается доля холестерина, и ЛПОНП превращаются в ЛПНП.
ЛПНП считаются транспортной формой холестерина от печени к органам и тканям. В тканях имеются рецепторы к ЛПНП, при участии которых происходит поглощение холестерина с последующим использованием его на построение мембран, синтез стероидов, депонированием в виде эфиров.
ЛПВП синтезируется в печени в виде дисковидных структур. Они считается транспортной формой холестерина из тканей к печени. В кровотоке при контакте с эндотелием происходит поглощение холестерина из тканей и переход его в ЛПВП. Они постепенно превращаются в сферические структуры и переносят холестерин в печень. В поглощении холестерина частицами ЛПВП участвует фермент ЛХАТ (лицитинхолестеролацилтрансфераза), который в составе ЛПВП переносит остатки жирных кислот с фосфолипидов на холестерин с образованием эфиров холестерина. Эфиры холестерина более гидрофобны по сравнению со свободным холестерином и, в силу этого, погружаются внутрь ЛП частицы.
У детей общее содержание ЛП ниже, чем у взрослых. В детском возрасте снижена концентрация хиломикронов и ЛПОНП, повышено содержание ЛПВП, в которых повышено содержание гидрофильных компонентов.

Содержание липидов в крови взрослых людей

Общие липиды
4-8 г/л

ТАГ
1-2,5 ммоль/л

ФЛ
2,5-3,0 ммоль/л

Холестерин
3,5-5,2 ммоль/л

Свободные жирные кислоты
0,5 – 1,0 мэкв/л


У детей содержание общих липидов ниже, чем у взрослых. В то же время концентрация свободных жирных кислот у детей повышено примерно в два раза.
Большая часть переносимых кровью липидов откладывается в жировых депо, к которым относятся подкожно-жировая клетчатка, большой и малый сальники. У детей наиболее активно депонирование жиров происходит в возрасте 1 года, 7 лет и в пубертатном периоде. В раннем детском возрасте у детей важным видом жировой ткани является бурая жировая ткань. Она локализована в основном на спине, на груди, имеет бурый оттенок, который обусловлен большим содержанием митохондрий и Fе - содержащих цитохромов. В бурой жировой ткани происходит нефосфорилирующее окисление жиров, которое сопровождается выделением тепловой энергии (она является органом термогенеза). Жировое депо у детей легко истощается при нарушении питания, болезнях, стрессе. Липиды в жировых депо постоянно обновляются.

7.11. Обмен триацилглицеринов

7.11.1. Распад триацилглицеринов в тканях (липолиз)
Триацилглицерины поэтапно расщепляется тканевыми липазами.



Ключевым ферментом липолиза является гормональнозависимая ТАГ-липаза. Образующиеся на этом этапе распада жиров глицерин и жирные кислоты окисляются в тканях с образованием энергии.

7.11.1.1. Окисление жирных кислот.
Различают несколько вариантов окисления жирных кислот: α - окисление, β - окисление, ω - окисление. Основным вариантом окисления жирных кислот является β - окисление. Оно наиболее активно протекает в жировой ткани, печени, почках и сердечной мышце.
β - окисление заключается в постепенном отщеплении от жирной кислоты двух углеродных атомов в виде ацетил - КоА с освобождением энергии. Запас жирных кислот в клетках сосредоточен в цитозоле, где протекает активация жирных кислот с образованием ацил – КоА



Сам процесс β-окисления ацил-КоА происходит в митохондриях. Митохондриальная мембрана непроницаема для длинноцепочечных ацил - КоА. В переносе их внутрь митохондрий участвует специальный переносчик карнитин (метил, гидропроизводное аминомасляной кислоты). Ацил - КоА образует с карнитином комплекс, который после переноса жирной кислоты внутрь митохондрий распадается.









Химизм β - окисления насыщенных жирных кислот


Энергетическая эффективность бета - окисления жирных кислот складывается из энергии окисления ацетил - КоА в цикле Кребса и энергии, освобождающейся в самом бета – цикле. Энергия окисления жирной кислоты тем выше, чем длиннее её углеродная цепь. Количество молекул ацетил - КоА из данной жирной кислоты и количество образующихся из них молекул АТФ определяется по формулам:
n=N/2, где n-количество молекул ацетил - КоА, N- число атомов углерода в жирной кислоте.
Количество молекул АТФ за счёт окисления молекул ацетил-КоА = (N/2)*12
Число β - циклов окисления на один меньше, чем количество образующихся молекул ацетил-КоА, поскольку в последнем цикле масляная кислота за один цикл переходит в две молекулы ацетил-КоА, и рассчитывается по формуле
Количество β - циклов = (N/2)-1
Количество молекул АТФ в β - цикле рассчитывается, исходя из последующего окисления образовавшихся в нём НАДН2 (3 АТФ) и ФАДН2 (2 АТФ) по формуле
Количество молекул АТФ, образующихся в β -циклах = ((N/2)-1)*5
2 макроэргические связи АТФ расходуются на активацию жирной кислоты
Суммарная формула для подсчёта выхода АТФ при окислении насыщенной жирной кислоты имеет вид: 17(N/2)-7.

Окисление ненасыщенных жирных кислот на начальных стадиях представляет обычное β - окисление до места двойной связи. Если эта двойная связь находится в β - положении, то продолжается окисление жирной кислоты со второго этапа (минуя стадию восстановления ФАД→ ФАДН2). Если двойная связь находится не β - положении, то ферментами еноилтрансферазами связь перемещается в β – положение. Таким образом, при окислении ненасыщенных жирных кислот образуется меньше энергии (теряется образование ФАДН2 на каждую двойную связь). Она рассчитывается по формуле:
7(N/2)-7-2m, где m-число двойных связей.

7.11.1.2. Окисление глицерина
На первом этапе глицерин активируется в глицерофосфат, затем окисляется до фосфодигидроксиацетона, который через стадию образования пирувата переходит в ацетил – КоА и окисляется в цикле Кребса.


7.11.2. Синтез триацилглицеринов (липогенез)
Для синтеза ТАГ необходимы глицерин и жирные кислоты.

7.11.2.1. Синтез глицерина
Если глицерин поступает с пищей в недостаточном количестве, он может синтезироваться из углеводов через стадию образования общего метаболита фосфодигидроксиацетона.

Активная форма глицерина – глицерофосфат используется на синтез ТАГ и глицерофосфолипидов.

7.11.2.2. Синтез жирных кислот
Синтез насыщенных жирных кислот происходит в цитозоле при участии сложного полиферментного комплекса (синтетаза жирных кислот или пальмататсинтетаза). Этот комплекс включает в себя особый ацилпереносящий белок и 6 ферментов. Для синтеза жирных кислот донором водорода является НАДФН2, образующийся в пентозофосфатном пути окисления глюкозы. Исходным веществом для синтеза жирных кислот является ацетил - КоА, который образуется в митохондриях в результате бета – окисления жирных кислот, и самостоятельно выйти в цитозоль не может. Транспорт ацетил - КоА из митохондрий в цитозоль осуществляется с помощью цитратного челночного механизма:


Ацетил - КоА на первом этапе карбоксилируется в малонил - КоА


Затем ацетил - КоА и малонил - КоА соединяются с полиферментным комплексом (синтетаза жирных кислот), в котором имеется две SН-группы, принадлежащие ацилпереносящему белку.


Затем остаток ацетила переносится на остаток малонила с образованием β – кетоацил - полиферментного комплекса и освобождением одной SH – группы полиферментного комплекса.




В последующем к этому комплексу с четырёх углеродной масляной кислотой присоединяется новая молекула малонил - КоА и в результате синтезируется капроновая кислота (С6) и далее до С16 (пальмитиновая кислота). Более длинные жирные кислоты синтезируется с участием дополнительных ферментов элонгаз.
В тканях организма человека синтезируется только мононенасыщенные кислоты:
олеиновая и пальмитолеиновая. Они образуются из соответствующих насыщенных жирных кислот при участии ферментов десатураз (монооксигеназ) и цитохрома Р450.

7.11.2.3. Синтез триацилглицеринов
ТАГ синтезируются из активной формы глицерина и жирных кислот через стадию фосфатидной кислоты.



7.12. Обмен глицерофосфолипидов

7.12.1. Синтез глицерофосфолипидов
Глицерофосфолипиды синтезируются из фосфатидной кислоты и добавочных азотсодержащих веществ. В синтезе фосфолипидов активатором служит ЦТФ, который может активировать или фосфатидную кислоту, или серин (коламин, холин). В связи с этим возможны два варианта синтеза фосфолипидов.
а) Активация фосфатидной кислоты:


б) Активация холина (серина, коламина):

Таким образом, синтез глицерофосфолипидов и триацилглицеринов на начальных стадиях осуществляется путём предшествующего образования фосфатидной кислоты. Для активации синтеза из неё структурных фосфолипидов используются липотропные вещества. К ним относится холин, метионин, витамин В12 и др. Липотропные вещества препятствуют жировой дистрофии печени, миокарда при гепатитах, миокардитах.

7.12.2. Распад глицерофосфолипидов
Распад фосфолипидов осуществляется тканевыми фосфолипазами. Различают несколько видов фосфолипаз (фосфолипазы А1, А2, С, D), которые разрывают различные связи в фосфолипидах.



При ряде патологических состояний наблюдается активация тканевой фосфолипазы А2. Это сопровождается образованием продуктов неполного распада фосфолипидов - лизофосфолипидов. Накопление лизофосфолипидов в составе клеточной мембраны повышает её проницаемость для Na+, К+, Н2 в результате чего возможен лизис клеток (в частности, гемолиз эритроцитов). Фосфолипаза А2 присутствует в яде некоторых змей.


7.13. Обмен сфинголипидов

7.13.1. Синтез сфинголипидов
Сфингозин является компонентом всех сфинголипидов.
Синтез сфингозина происходит из активной формы пальмитиновой кислоты и аминокислоты серина.



Структурным блоком сфинголипидов является церамид, включающий в свой состав сфингозин и жирную кислоту, присоединённую амидной связью.

Синтез церамида осуществляется из активной формы жирной кислоты и сфингозина.


Синтез сфингофосфолипидов происходит из церамида и активной формы холина.
ЦДФ – холин (цитидиндифосфохолин) + церамид ( сфингофосфолипид (сфингомиелин)
Синтез цереброзидов осуществляется из церамида и активной формы моносахаров.
Церамид + УДФ - галактоза (уридиндифосфатгалактоза) (цереброзид
Синтез ганглиозидов происходит путём присоединения к церамиду олигосахаридного фрагмента, на конце которого чаще всего находятся сиаловые кислоты и аминогексозы.

7.13. 2. Распад сфинголипидов
Расщепление сфинголипидов происходит при участии лизосомальных ферментов. При их дефекте развивается сфинголипидозы, при которых в ткани головного мозга накапливается сфинголипиды и продукты их неполного распада. Сфинголипидозы проявляются неврологическими симптомами. Для их антенатальной диагностики используется определение содержания сфинголипидов в амниотической жидкости.
Распад сфингофосфолипидов (сфингомиелинов) осуществляется неспецифичными эстеразами и специфичным ферментом сфингомиелиназой, который расщепляет в сфигофосфолипидах связь между церамидом и фосфохолином. При отсутствии данного фермента развивается сфингомиелиноз (болезнь Нимана-Пика).
Распад цереброзидов происходит под действием бета - гликозидазы, расщепляющей связь между церамидом и моносахаридом. При отсутствии данного фермента развивается цереброзидоз (болезнь Гоше)
Распад ганглиозидов осуществляется различными гликозидами, включая гексаминидазу. При отсутствии данного фермента развивается ганглиозидоз (болезнь Тея - Сакса)

7.14. Обмен холестерина
Ежесуточно в организме взрослого человека обменивается до 1,5 г холестерина. Примерно половина этого количества синтезируется в организме (эндогенный), а половина поступает с пищей (экзогенный). Холестерин пищевых продуктов всасывается в тонком кишечнике при участии жёлчных кислот.

7.14.1. Биосинтез холестерина
Синтез холестерина происходит в печени из ацетил-КоА. Синтез холестерина представляет собой сложный многоэтапный процесс, протекающий в 20 стадий. Начальная стадия – образование мевалоновой кислоты является ключевой
ГМГ - редуктаза – ключевой фермент синтеза холестерина, она угнетается высокими концентрациями холестерина. Синтезированный в печени холестерин включается в состав липопротеидов ЛПОНП. Под действием липопротеидной липазы ЛНОНП переходят в ЛПНП, которые транспортируют холестерин от печени к органам и тканям. В тканях имеются рецепторы к липопротеидам, при участии которых происходит захват холестерина и проникновение его в клетки.


В клетках часть холестерина превращается в эфиры при участии фермента АХАТ (ацитилхолестеролацилтрансфераза). Эфиры холестерина депонируются в тканях.


7.14.2. Использование холестерина в тканях
Холестерин необходим для всех клеток и тканей.
1. В печени примерно половина синтезирующегося холестерина превращается в жёлчные кислоты при участии ключевого фермента 7-α-гидроксилазы. Применение веществ, адсорбирующих жёлчные кислоты в кишечнике, повышает переход холестерина в жёлчные кислоты и снижает его уровень в крови.
2. Холестерин используется для построения клеточных мембран, где он составляет примерно треть всех липидов мембран и определяет физико-химические свойства липидной фазы мембран.
3. В надпочечниках, половых железах холестерин используется на синтез стероидных гормонов
4. В коже из производного холестерина происходит образование витамина Д3 (холекальциферола).

7.14.3. Выведение холестерина из организма
Избыток холестерина удаляется из тканей при участии ЛПВП, которые адсорбируют холестерин из клеток и переносят его в печень. Основная часть холестерина выводится из организма через кишечник в виде жёлчных кислот, продуктов их обмена и образующихся из холестерина под действием микрофлоры холестанола и копростанола. Выведение холестерина из организма в небольших количествах происходит со слущивающимся эпителием, с мочой в виде соединений стероидных гормонов с глюкуроновой кислотой.

7.14.4. Нарушение обмена холестерина
В норме концентрация холестерина в крови взрослых людей составляет 3,5 – 5,2 ммоль/л. У детей концентрация холестерина в крови ниже, чем у взрослых. У новорожденных уровень холестерина равен 2,67 ммоль/л, у детей в возрасте одного года - 4,03 ммоль/л.
Симптом повышения уровня холестерина в крови называется гиперхолестеринемией. Врождённые гиперхолестеринемии встречаются редко, чаще развиваются приобретённые (вторичные) гиперхолестеринемии. На фоне гиперхолестеринемии возможно развитие таких заболеваний как атеросклероз и жёлчекаменная болезнь.
При атеросклерозе избыток холестерина откладывается в эндотелии сосудов, что ведёт к развитию асептического воспаления, отложению кальция, вследствие чего нарушается кровоснабжение тканей. Для диагностики атеросклероза рекомендуется определение коэффициента атерогенности, который показывают соотношение между ЛПНП и ЛПВП.

К атерогенности = (Хобщ. - ХЛПВП)/ХЛПВП ≤ 3.

Для лечения атеросклероза применяют ингибиторы ГМГ-редуктазы, которые блокируют синтез холестерина.
Жёлчекаменная болезнь связана с нарушением соотношения между водонерастворимым холестерином и гидрофильными фосфолипидами и жёлчными кислотами в составе жёлчи. Холестерин является основой формирования камней в жёлчных путях.
При циррозах печени, гепатитах возможно развитие гипохолестеринемии.
7.15. Взаимосвязь липидного и углеводного обменов
Обмен углеводов и липидов тесно взаимосвязан как в физиологических условиях, так и при патологии. Эта взаимосвязь возможна благодаря наличию общих метаболитов в обмене углеводов и липидов.

Схема взаимодействия углеводного и липидного обмена.



Углеводы могут использоваться для синтеза различных классов липидов.
Некоторые возможные пути перехода углеводов в липиды:
Глюкоза→фосфодигидроксиацетон→глицерофосфат→ТАГ, ФЛ
Глюкоза→ацетил-КоА→жирные кислоты, холестерин→липиды
Глюкоза→ ацетил-КоА→ холестерин→ стероиды
Глюкоза→НАДФН2(пентозофосфатный путь)→синтез жирных кислот, синтез сфингозина, синтез холестерина.
У детей углеводы очень активно используются для синтеза липидов.

7.15.1. Ацетоновые тела
Распад липидов ведёт к образованию веществ, называемых ацетоновыми телами. К ацетоновым телам относятся:

Основная масса ацетоновых тел синтезируются в печени из ацетил - КоА через стадию гидроксиметилглютарил - КоА (ГМГ) по схеме:

В норме концентрация ацетоновых тел очень мала, составляя не более 0,6 ммоль/л. В физиологических условиях ацетоновые тела являются важным водорастворимым энергетическим материалом для различных тканей. Из печени они транспортируются в ткани, где активируются под действием НS-КоА или сукцинил–КоА (ацетоуксусная кислота + HS-КоА→ацетоацетил - КоА). Активная форма ацетоновых тел окисляется в цикле Кребса с образованием энергии (ацетоацетил - КоА→24 АТФ).
В патологических условиях при высокой концентрации ацетоновых тел развивается кетоацидоз. Основными причинами кетоацидоза являются длительное углеводное голодание и сахарный диабет. У детей выражена склонность к кетоацидозу, поскольку у них ограничены запасы гликогена как энергетического материала. В детском возрасте выше скорость распада ТАГ, так как очень лябильна ТАГ-липаза. У детей активно протекает распад кетогенных аминокислот. В то же время усвоение ацетоновых тел в детском возрасте снижено.

7.16. Регуляция липидного обмена
На состояние липидного обмена влияют многие физиологические факторы, в том числе калорийность рациона, интенсивность физической нагрузки.
Нервная регуляция липидного обмена подтверждается тем, что жировая ткань богато иннервирована.
Эндокринная регуляция осуществляется гормонами гипофиза (липотропин, соматостатин), щитовидной железы (тироксин), надпочечников (адреналин, глюкокортикоиды), поджелудочной железы (инсулин, глюкагон), половых желез (андрогены и эстрогены).
Инсулин активирует синтез ТАГ из глюкозы (липогенез) за счёт активации фермента ацетил - КоА – карбоксилазы. Одновременно инсулин обладает антилиполитическим действием (тормозит липолиз) за счёт активирующего влияния на ключевой фермент – ТАГ- липазу.
Большинство других гормонов, участвующих в регуляции липидного обмена, угнетают липогенез, и в большей степени активирует липолиз. Так, гормоны адреналин и глюкагон активируют ТАГ – липазу, а глюкокортикоиды индуцируют синтез ТАГ - липазы.
В регуляции обмена холестерина участвует гормоны тироксин и эстрогены, которые снижают уровень холестерина в крови.
Возможна авторегуляция отдельных звеньев липидного обмена. Например, синтез холестерина регулируется по принципу обратной связи (высокая концентрация холестерина в клетках угнетает фермент ГМГ - редуктазу и тем самым уменьшает его образование)

7.17. Патология липидного обмена
Нарушения обмена жиров возможны на этапе их переваривания, транспорта, тканевого обмена.
Переваривание жиров нарушается при заболеваниях поджелудочной железы (недостаток ферментов), печени и жёлчевыводящих путей (отсутствуют жёлчные кислоты, страдает эмульгирование, всасывание). При нарушении переваривания и всасывания липидов развиваются авитаминозы жирорастворимых витаминов, истощаются жировые депо, возникает дефицит жиров в организме как основного резервного энергетического материала. Наблюдается потеря жиров через кишечник – стеаторея.
Нарушение транспорта жиров связано с нарушением обмена липопротеидов крови. Примерами врождённых нарушений являются β-алипопротеинемия (болезнь Танжера), α-алипопротеинемия, семейная гиперхолестеринемия. Гораздо чаще встречается приобретённые дислипопротеинемии, при которых изменено соотношение между липидами в различных липопротеидах, в частности, гиперлипопротеинемии – повышение уровня каких либо видов жиров крови.
Нарушение тканевого обмена липидов часто сочетается с нарушением углеводного обмена (голодание, ожирение, сахарный диабет), что может вести к накоплению в тканях, крови ацетоновых тел.
При голодании снижается выработка инсулина, активируется образование глюкагона и адреналина. В результате усиливается распад жиров в тканях и их окисление в качестве основного энергетического материала. Распад липидов приводит к образованию большого количества ацетил - КоА, который при голодании не может быть использован на синтез жирных кислот, холестерина, не может окисляться в цикле Кребса (в силу дефицита щавелевоуксусной кислоты и НАДФН2). Избыток ацетил - КоА используется на синтез ацетоновых тел, поэтому длительное голодание сопровождается выделением ацетоновых тел с мочой.
При сахарном диабете дефицит инсулина сопровождается нарушением усвоения глюкозы тканями, активацией липолиза, образования ацетил - КоА и, как следствие, повышенным образованием ацетоновых тел.
Ожирение может возникать в силу нарушения характера питания (алиментарное ожирение), при эндокринных заболеваниях, длительном применении некоторых лекарственных препаратов. Возможен генетический вариант ожирения, связанный со сбоями в работе гена ожирения, который регулирует синтез гормонов лептинов, активирующих липолиз. При алиментарном ожирении выражена стадийность изменений обмена веществ в организме. В начале патологического состояния активируется выработка инсулина, а в последующем инсулярный аппарат истощается, и возникает относительное преобладание контринсулярных гормонов глюкокортикоидов, развивается своеобразное состояние стероидного диабета, проявляющегося ожирением и повышенным синтезом ацетоновых тел.
Жировая дистрофия миокарда, печени может развиваться после миокардита, гепатита в силу увеличения отложения ТАГ в миокардиоцитах и гепатоцитах. Для профилактики жирового перерождения тканей показано применение различных липотропных веществ, способствующих синтезу структурных глицерофосфолипидов.
В последние годы накапливаются данные о митохондриальных болезнях, при которых страдает β-окисление жирных кислот и нарушается энергетический обмен в тканях.

7.18. Перекисное окисление липидов (ПОЛ)
ПОЛ – неферментативный свободно-радикальный процесс, в который в основном вовлекаются фосфолипиды клеточных мембран.
Инициатором ПОЛ являются активные радикальные формы кислорода: супер - оксид О2-., гидроксирадикал ОН* (О2* + Н2О2→О2 + ОН + ОН*), оксид азота NО*, и пероксинитрил (NO* + О2*→ОNОО). Активные формы О2 атакуют атомы углерода в ненасыщенных жирных кислотах, находящиеся между двойными связями.
Выделяют стадии инициации, разветвления и обрыва процесса ПОЛ
Инициация процесса заключается в том, что активные формы О2 отрывают атом Н от жирной кислоты, превращая жирную кислоту в радикал жирной кислоты R*
Разветвление процесса с образованием большого количества новых радикалов:
R* + О2→ RОО* (перекись жирной кислоты).
Образовавшиеся радикалы воздействуют на новые молекулы жирных кислот:
RН + RОО*→ R* + RООН (гидроперекись жирной кислоты).
Гидроперекись также служит источником новых радикальных форм при участии ионов металлов переменной валентности:
RООН + Fе2+→ RО* + ОН* + Fе3+.
Образовавшиеся радикалы атакуют новые жирные кислоты. Некоторое количество гидроперикиси жирных кислот превращается в малоновый диальдегид (МДА)– конечный продукт ПОЛ.
Обрыв (затухание процесса) происходит при взаимодействии радикальных форм жирных кислот между собой:
R*+R*1→RR1,
R*+RОО*→ RООR.
В физиологических условиях образуется невысокие концентрации продуктов ПОЛ, которые участвуют в обновлении фосфолипидов клеточных мембран, в регуляции проницаемости клеточных мембран, в фагоцитозе, пиноцитозе и синтезе эйкозаноидов.
Активность ПОЛ уменьшают антиоксидантные ферменты: супероксиддесмутаза, каталаза, глютадионпероксидаза, некоторые микроэлементы, витамины Е, А, С.

7.18.1. Витамин Е
В своём составе витамин Е (токоферол, антистерильный витамин) содержит циклический спирт токол и ненасыщенный боковой радикал, Витамин Е относится к жирорастворимым витаминам. Он широко распространён в природе. Суточная потребность в витамине Е для взрослого человека составляет 20-50 мг. Витамин Е является мощным антиоксидантом, ловушкой для свободных радикалов, участвует в обмене селена. Авитаминоз Е встречается редко и проявляется в повсеместном повреждении клеточных мембран. В эритроцитах авитаминоз проявляется гемолизом, в мышцах - мышечной слабостью, дистрофией, в репродуктивных органах – нарушением подвижности сперматозоидов, рассасыванием плода, невынашиванием беременности.

7.19. Эйкозаноиды
Эйкозаноиды – биологически активные производные арахидоновой (С20:4) кислоты и эйкопентановой (С20:5) кислоты.
Все эйкозаноиды делятся на следующие группы:
простаноиды ( циклические соединения):
простагландины;
простациклины;
тромбоксаны;
лейкотриены (нециклические вещества);
липоксины (нециклические соединения).

7.19.1. Синтез и краткая характеристика эйкозаноидов
Источником синтеза различных видов эйкозаноидов является арахидоновая кислота, входящая в состав фосфолипидов:


Простагландины – циклические производные арахидоновой кислоты, основу которых составляет простаноевая кислота.

В зависимости от добавочной группы у 9 атома углерода простаноевоей кислоты выделяют: РgЕ (в девятом положении кето - группа) и РgF (в девятом положении ОН - группа). Индекс в названии простагландина (PgE2) отражает количество двойных связей в его молекуле.
Простагландины рассматривают как тканевые местные гормоны. Они обладают аутокринным или паракринным эффектом. РgF обладают сосудосуживающим действием, вызывают бронхоспазм, усиливают сокращение миометрия матки. PgЕ обладают сосудорасширяющим, антиаритмическим действием на сердце, антисекреторным эффектом на слизистую желудка (противоязвенное действие). Они увеличивает диурез, участвуют в болевой рецепции, терморегуляции, в иммунологических процессах. В патологических условиях в больших концентрациях Pg являются медиаторами воспаления и аллергических реакций.
Тромбоксаны – циклические производные арахидоновой кислоты. Они синтезируются в тромбоцитах, обладают сосудосуживающим эффектом, увеличивают агрегацию тромбоцитов, способствуют тромбообразованию.
Простациклины синтезируется в эндотелии сосудов, оказывают сосудорасширяющее действие, снижают агрегацию тромбоцитов, обладают фибринолитическим, противовоспалительным, антиоксидатным действием.
Лейкотриены синтезируется в лейкоцитах. Они относятся к нециклическим производным арахидоновой кислоты, содержат в своём составе 3 сопряженные двойные связи. Различают несколько видов лейкотриенов. Наиболее распространены ЛТА и ЛТВ, в составе которых отсутствуют аминокислоты. В ЛТС, ЛТД, ЛТЕ содержится несколько аминокислот. Неимунные эффекты лейкотриенов заключаются в том, что они вызывают длительный Са-независимый спазм гладкой мускулатуры. Иммунные эффекты ЛТ проявляются в активировании перемещения лейкоцитов в очаг воспаления и синтеза антител. В больших концентрациях ЛТ участвует в воспалительных и аллергических реакциях.
Липоксины содержат 4 сопряжённые двойные связи, являются факторами хемотаксиса, фагоцитоза.

8. ОБМЕН БЕЛКОВ И АМИНОКИСЛОТ

8.1. Общие сведения об азотистом обмене
Белки пищевых продуктов являются основным источником азота для организма. Азот выводится из организма в виде конечных продуктов азотистого обмена. Состояние азотистого обмена характеризуется понятием азотистый баланс.
Азотистый баланс –соотношение между поступающим в организм и выводимым из организма азотом. Различают три вида азотистого баланса: азотистое равновесие, положительный азотистый баланс, отрицательный азотистый баланс
При положительном азотистом балансе поступление азота преобладает над его выделением. В физиологических условиях встречается истинный положительный азотистый баланс (беременность, лактация, детский возраст). Для детей в возрасте 1 года жизни он составляет +30%, в 4 года +25%, в подростковом возрасте +14%. При заболевании почек возможен ложный положительный азотистый баланс, при котором происходит задержка в организме конечных продуктов азотистого обмена.
При отрицательном азотистом балансе преобладает выделение азота над его поступлением. Это состояние возможно при таких заболеваниях как туберкулез, ревматизм, онкологические заболевания.
Азотистое равновесие характерно для здоровых взрослых людей, у которых поступление азота равно его выделению.
Азотистый обмен характеризуется коэффициентом изнашивания, под которым понимают то количество белка, которое теряется из организма в условиях полного белкового голодания. Для взрослого человека он составляет 53 мг N/ кг (или 24 г белка/сутки). У новорожденных коэффициент изнашивания выше и составляет 120 мг N на 1 кг массы тела. Азотистое равновесие обеспечивается белковым питанием.
Белковый рацион характеризуется опредёленными количественными и качественными критериями.
Количественные критерии белкового питания
Белковый минимум – то количество белка, которое обеспечивает азотистое равновесие при условии, что все энергетические затраты обеспечиваются углеводами и жирами. Он составляет 40-45 г/сутки. При длительном использовании белкового минимума страдают иммунные процессы, процессы кроветворения, репродуктивная система. Поэтому для взрослых людей необходим белковый оптимум - то количество белка, которое обеспечивает выполнение всех его функций без ущерба для здоровья. Он составляет 100 – 120 г/сутки.
Для детей норма потребления в настоящее время пересматривается в сторону её снижения. Для новорожденного потребность в белках составляет около 2 г/кг, к концу первого года снижается при естественном вскармливании до 1 г/кг, при искусственном вскармливании остаётся в пределах 1,5 – 2 г/кг

Качественные критерии белкового питания
Более ценные для организма белки должны отвечать следующим требованиям:
содержать набор всех незаменимых аминокислот (валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, лизин, аргинин, гистидин, триптофан, фенилаланин);
соотношение между аминокислотами должно быть близким к соотношению их в тканевых белках;
хорошо перевариваться в желудочно-кишечном тракте.
Этим требованиям в большей степени отвечают белки животного происхождения. Для новорожденных все белки должны быть полноценными (белки грудного молока). В возрасте 3-4 лет около 70-75% должно приходиться на полноценные белки. Для взрослых людей их доля должна составлять около 50%.

8.2. Переваривание белков
Переваривание белков происходит в желудке и в тонком кишечнике. Оно сводится к ферментативному гидролитическому расщеплению белков пищи до аминокислот. Переваривание белков в желудочно-кишечном тракте имеет ряд особенностей:
протеолитические ферменты выделяются в неактивном состоянии (защитный механизм от переваривания тканевых белков);
их активирование происходит в просвете желудочно-кишечного тракта путём частичного протеолиза;
протеазы желудочно–кишечного тракта отличаются субстратной специфичностью, могут относиться или к эндопептидам, или экзопептидазам.
В желудке основным ферментом, расщепляющим белки, является пепсин. Он выделяется в неактивном состоянии в виде профермента пепсиногена. При участии HCl происходит частичный протеолиз пепсиногена и превращение его в активную форму пепсин. При частичном протеолизе уменьшается молекулярная масса, изменяется структура фермента, обнажается его активный центр.

Пепсин относится к эндопептидазам, разрывает в белках внутренние пептидные связи, образованные с участием аминогрупп остатков тирозина и фенилаланина..
Роль HCl в переваривании белков:
участвует в активации пепсиногена;
обеспечивает оптимум рН для пепсина (рН = 1-2);
вызывает частичную денатурацию белка, спосчобствует их набуханию;
является бактерицидным барьером.
Слизистая желудка имеет целый ряд защитных механизмов от агрессивного действия пепсина и соляной кислоты. К ним относятся:
а) выработка слизи (основной её компонент протеогликаны);
б) выделение пепсина в неактивном состоянии;
У детей процессы переваривания белков в желудке менее активны, чем у взрослых людей, так как снижена активность пепсина и продукция соляной кислоты. У грудных детей в желудке кроме пепсина в переваривании белков участвуют ферменты химозин (фермент, створаживающий молоко), гастриксин (оптимум рН 4-5), катепсины, а также протеазы грудного молока. В желудке происходит частичное переваривание белков до полипептидов.
Дальнейшее переваривание белков осуществляется в тонком кишечнике под действием ферментов поджелудочной железы и собственных ферментов слизистой оболочки кишечника. К ферментам поджелудочной железы относятся трипсин, химотрипсин, эластаза, карбоксипептидазы. Трипсин выделяется поджелудочной железой в неактивном состоянии в виде трипсиногена, который активируется ферментом энтеропептидазой (энтерокиназой), вырабатываемой слизистой кишечника. Активация трипсиногена происходит путём частичного протеолиза с отщеплением 6 аминокислот и освобождением активного центра. В зоне связывания активного центра трипсина преобладают кислые аминокислоты (глютаминовая, аспарагиновая), поэтому трипсин расщепляет в пищевых белках внутренние пептидные связи, образованные щелочными аминокислотами (лизином и аргинином). Трипсин, в свою очередь, активирует в кишечнике другие протеолитические ферменты. Химотрипсин вырабатывается в неактивном состоянии в виде химотрипсиногена, активируется частичным протеолизом трипсином. Химотрипсин относится к эндопептидазам, содержит в активном центре гидрофобные аминокислоты, расщепляет в белках связи, образованные СООН – группами ароматических аминокислот (фенилаланин, тирозин). Эластаза образуется из проэластазы под действием трипсина путём частичного протеолиза. В активном центре эластазы преобладают аминокислоты с разветвлённым радикалом, поэтому она расщепляет в белках внутренние пептидные связи, образованные глицином, не содержащим радикала. Карбоксипептидазы относятся к экзопептидазам, отщепляют от белков концевые аминокислоты. Карбоксипептидазы А отщепляют С-концевые ароматические аминокислоты (фенилаланин, тирозин), карбоксипептидазы В отщепляют С-концевые аминокислоты лизин и аргинин.
К ферментам кишечника относятся аминопептидазы и дипептидазы. Аминопептидазы – экзопептидазы, отщепляют N-концевые аминокислоты. К аминопептидазам относится, в частности, лейцинаминопептидаза (ЛАП). Дипептидазы кишечника расщепляет дипептиды. В тонком кишечнике происходит полное гидролитическое расщепление пищевых белков до аминокислот, которые не обладают видовой специфичностью. Образовавшиеся аминокислоты подвергаются всасыванию. У детей снижена активность протеолитических ферментов слизистой кишечника и поджелудочной железы.

8.3. Всасывание аминокислот
Всасывание аминокислот представляет собой активный Na-зависимый процесс, требующий затрат энергии АТФ. Перенос отдельных аминокислот осуществляется специальными переносчиками с участием трипептида глютатиона.
У детей могут всасываться не только аминокислоты, но также пептиды и низкомолекулярные белки. Это, с одной стороны, обеспечивает поступление в организм ребёнка иммуноглобулинов, антител грудного молока. С другой стороны, может вызывать аллергические реакции.
8.4. Гниение белков в толстом кишечнике
Процессу гниения в толстом кишечнике под действием ферментов гнилостной микрофлоры подвергаются не полностью расщепившиеся белки и отдельные не всосавшиеся аминокислоты. При гниении белков образуется большое количество газообразных и негазообразных веществ. К продуктам гниения белков относятся CO2, CH4, NH3, H2S, меркаптаны, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, диамины, вещества циклической структуры.
Диамины образуются при декарбоксилировании диаминокислот лизина и орнитина

Диамины могут выводиться из кишечника или обезвреживаться в печени
При гниении белков могут образовываться токсичные циклические продукты. Гниение тирозина ведёт к появлению крезола и фенола, гниение триптофана сопровождается образованием скатола и индола.



Продукты гниения белков чрезвычайно токсичны, по системе vena porta, они поступают в печень, где подвергаются процессам обезвреживания.

8.4.1. Обезвреживание продуктов гниения белков в печени
Выделяют несколько вариантов обезвреживания в печени токсичных продуктов гниения белков.
Синтез нетоксичной мочевины из чрезвычайно токсичного NН3.
Микросомальное окисление токсичных веществ при участии ферментов моноксинегаз. В результате процесса гидроксилирования снижается токсичность, повышается водорастворимость, увеличивается реакционная способность обезвреживаемого вещества.

Образование парных нетоксичных соединений путём присоединения к обезвреживаемым продуктам Н2SО4 , глюкуроновой кислоты, глицина.
Серная кислота в процессах обезвреживания участвует в активной форме ФАФС – фосфоаденозилфосфосульфат (состав: аденин – рибоза – фосфат – сульфат - фосфат).
Калиевая соль индоксилсерной кислоты называется индиканом, выводится через почки. Повышенное количество индикана в моче свидетельствует об усилении гнилостных процессов.
Глюкуроновая кислота в процессах детоксикации участвует в активной форме в виде УДФ-глюкуроновой кислоты (состав: урацил-рибоза-фосфат-фосфат-глюкуроновая кислота)

Глицин, взаимодействуя с бензойной кислотой, образует гиппуровую кислоту. На данной реакции основана проба Квика для оценки антитоксической функции печени. Более современная антипириновая проба характеризует активность микросомального окисления в печени.
У новорожденных детей гнилостные процессы отсутствуют. У взрослых усиление гнилостных процессов наблюдается при снижении активности протеолитических ферментов желудка и кишечника, при снижении моторики кишечника, дисбактериозах, при преобладании в пищевом рационе неполноценных белков.

8.5. Динамическое состояние белков в тканях организма
Белки тканей организма постоянно обновляются, то есть подвергается распаду, и постоянно замещаются вновь синтезированными белками. Период полуобмена белков в таких тканях как кровь, слизистая кишечника, печень составляет приблизительно 10 дней. В таких тканях, как кожа, мышцы период полуобмена белков более продолжителен,
Распад тканевых белков (катаболизм) осуществляют особые тканевые протеолитические ферменты катепсины. Выделяют несколько их видов, которые обозначают буквами (А В, Д, Н, N) или римскими цифрами. Катепсины локализованы как в лизосомах, так и в цитозоле. Лизосомальные катепсины называются кислыми катепсинами, так как оптимум рН для них равен 4,5-5,5. Катепсины могут относиться как к эндопептидазам, так и к экзопептидазам. В активном центре катепсинов могут присутствовать цистеин, аспарагиновая кислота, серин. Например, катепсин Д по своему действию аналогичен пепсину желудочного сока, катепсин Н активен в печени, катепсин N обладает коллагенолитической активностью.
Биологическая роль катепсинов:
участвуют в обновлении тканевых белков;
разрушают дефектные, денатурированные белки (обычно подобные белки вначале соединяются с особым белком убиквинтином, после чего разрушаются катепсинами);
реконструктивная функция – катепсины переводят неактивные формы белков в активные белки;
при голодании, кровопотере, интоксикации катепсины обеспечивают мобилизацию белков из депо белков (плазма крови, мышцы, печень).

8.5.1. Пути образования и использования аминокислот с тканях
В ткани всегда существует определённый запас аминокислот. Он поддерживается на достаточно постоянном уровне благодаря сбалансированности путей образования и использования аминокислот.
Пути пополнения запаса тканевых аминокислот:
аминокислоты, всосавшиеся из кишечника в результате переваривания пищевых белков (1/3 фонда);
аминокислоты, образовавшиеся при распаде тканевых белков;
синтезированные в тканях заменимых кислот.
Одной из транспортных систем аминокислот в ткани является система, в которой участвуют трипептид глютатион (глю-гли-цис) и фермент γ - глютамилтранспептидаза. Аминокислота, подвергающаяся всасыванию, связывается со свободной γ - карбоксильной группой глютаминовой кислоты глютатиона. Затем этот комплекс распадается с освобождением глютамата. Эта транспортная система активна в отношении аминокислот цистеина, серина, треонина
Пути расходования аминокислот в тканях:
синтез тканевых белков и пептидов;
образование небелковых N-содержащих веществ (пуриновые основания, креатинин, биогенные амины, фосфолипиды);
использование на энергетическиецели;
расходование на синтез углеводов (глюконеогенез);
образование из аминокислот некоторых метаболитов липидного обмена (кетоновые тела).
Катаболизм аминокислот условно делят на общие реакции (происходят в отношении радикала, аминогрупп, карбоксильных групп) и специфические реакции.

8.6. Катаболизм аминогруппп аминокислот

8.6.1. Трансаминирование аминокислот
Начальным процессом деградации аминогрупп является процесс трансаминирования. Трансаминирование - ферментативный процесс переноса NН2 - группы с аминокислоты на α - кетокислоту при участии ферментов трансаминаз и витамина В6. В процесс трансаминирования могут включаться практически все аминокислоты. В качестве альфа-кетокислот, чаще используется пировиноградная, щавелевоуксусная и альфа - кетоглютаровая кислота.



Наиболее активными тканевыми аминотрансферазами являются аланинаминотрансфераза (АлАТ) или глютамикопировиноградная трансаминаза (ГПТ) и аспарагиновая трансаминаза (АсАТ) или глютамикощавелевоуксусная трансаминаза (ГЩТ).

8.6.1.1. Витамин В6
Коферментом аминотрансфераз является витамин В6 (пиридоксин, адермин), участвующий в трансаминировании в 2-х формах:


Витамин В6 распространён в злаках, дрожжах. Суточная потребность в нём составляет 2 мг. Биологическая роль: кофермент реакций трансаминирования и декарбоксилирования аминокислот. Авитаминоз проявляется дерматитом, дегенерацией в нервной системе, демиелинизацией нервных стволов
Биологическое значение реакций трансаминирования заключается в следующем:
происходит потеря аминогрупп из аминокислоты без выделения токсичного NH3;
возможность последующего включения безазотистого остатка аминокислот в цикл Кребса с выделением энергии;
способ синтеза новых заменимых аминокислот в тканях (ПВК –> ала, ЩУК –> асп, альфа - кетоглютаровая кислота –> глю);
определение активности трансаминаз имеет важное диагностическое значение, так как в разных тканях преобладает активность определённых трансаминаз. В сердечной мышце высока активность аспартатаминотрансферазы, в печени - аланинаминотрансферазы. Нередко определяют коэффициент де Ритиса: АсАт/АлАТ = 1,33. При инфаркте миокарда этот коэффициент увеличивается, при заболеваниях печени снижается.

8.6.2. Дезаминирование аминокислот
В тканях различают несколько вариантов дезаминирования: окислительное, непрямое, внутримолекулярное дезаминирование.

8.6.2.1. Окислительное дезаминирование
Окислительное дезаминирование – это ферментативный процесс отщепления NН2 – группы от аминокислоты после предварительного окисления аминокислоты. В окислительном дезаминировании участвуют ферменты:
L - аминокислотоксидазы – флавиновые кислоты, имеющие ФМН в качестве ко-ферментов. Эти ферменты в тканях малоактивны, поскольку их оптимум рН = 10;
D - аминокислотоксидазы – флавиновые ферменты, использующие ФАД в качестве коферментов;
глютаматдегидрогеназа – НАД (НАДФ) - зависимый аллостерический, олигомерный фермент. Он обладает высокой активностью в процессе окислительного дезаминирования глютаминовой кислоты;
глициноксидаза.

Окислительное дезаминирование глютаминовой кислоты при ведено в качестве примера.


Биологическое значение реакций окислительного дезаминирования состоит в том, что эта реакция позволяет аминокислотам освобождаться от аминогруппы и, переходя в альфа - кетокислоту, включатся в цикл Кребса.

8.6.2.2. Непрямое дезаминирование
В тканях для большинства аминокислот реакции трансаминирования и окислительного дезаминирования тесно друг с другом связаны, Сочетание их получило название непрямого дезаминирования. Так как возможности окислительного дезаминирования большинства аминокислот очень малы, вначале они вступает в реакцию трансаминирования с α - кетоглютаровой кислотой. Образовавшаяся при этом глютаминовая кислота в дальнейшем активно подвергается окислительному дезаминированию под действием глютаматдегидрогеназы – высокок активного митохондриального фермента.



Около трети аминокислот включается в непрямое дезаминирование.

8.6.2.3. Внутримолекулярное дезаминирование
В процесс внутримолекулярного дезаминирования вступают аминокислоты гистидин, серин, треонин, цистеин. Например, из гистидина происходит выделение NН3 за счёт внутримолекулярной перестройки с образованием уроканиновой кислоты:


Серин в результате внутримолекулярного дезаминирования переходит в пировиноградную кислоту

У детей процессы трансаминирования и дезаминирования идут более активно, чем у взрослых.

8.7. Декарбоксилирование аминокислот. Биогенные амины
Декарбоксилирование аминокислот – ферментативный процесс высвобождения СО2 из СООН - групп аминокислот с образованием аминов.

Наиболее активно в процесс деркарбоксилирования включаются аминокислоты гистидин, тирозин, глютамат, триптофан. Образующиеся амины называются биогенными аминами, поскольку они, как правило, обладают широким спектром физиологических эффектов, влияют на тонус сосудов, являются нейромедиаторами, участвуют в воспалительных реакциях. К основным биогенным аминам относятся гистамин, серотонин, катехоламины, гамма-аминомасляная кислота, полиамины.
Гистамин образуется при декарбоксилировании аминокислоты гистидина. Он синтезируется в тучных клетках, накапливается в секреторных гранулах, выделяется при раздражении клеток.

Гистамин оказывает разнообразные биологические эффекты: вызывает расширение сосудов, снижает артериальное давление, увеличивает тканевую проницаемость, вызывает местный отёк, стимулирует желудочную секрецию, обладает бронхоспатическим эффектом. В высокой концентрации он является медиатором воспалительных и аллергических реакций.
Серотонин образуется при декарбоксилировании гидрокситриптофана. Он синтезируется в хромаффиннных клетках, в некоторых ядрах подкорковых структур, в тромбоцитах.

Эффекты серотонина: вызывает спазм сосудов, повышение артериального давления, стимулирует перистальтику кишечника, участвует в терморегуляции, в механизмах сна, памяти, является источником для синтеза гормона мелатонина, влияет на эмоциональные реакции человека.
Катехоламины (дофамин, адреналин, норадреналин) синтезируются из аминокислоты тирозина.
Дофамин – возбуждающий медиатор, при его дефиците развивается болезнь Паркинсона (адинамия, ригидность, тремор). Адреналин вызывает спазм сосудов, повышают артериальное давление, стимулирует работу сердца, является гормоном.
Норадреналин в основном выполняет нейромедиаторные функции.
Гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) образуется при декарбоксилировании глютаминовой кислоты, является тормозным медиатором, улучшает кровоснабжение головного мозга, активирует окислительные процессы в нём.

Полиамины (спермин, спермидин) синтезируются из орнитина и метионина, участвуют в регуляции процессов трансляции, транскрипции, репликации.
Так как биогенные амины очень активны, они быстро инактивируются в тканях. Распад биогенных аминов осуществляется несколькими способами: окисление, метилирование, дезаминирование. Основным способом инактивации биогенных аминов является окислительное дезаминирование под действием ферментов аминооксидаз (моноаминооксидаз, полиаминооксидаз).

Ингибиторы МАО применяются в качестве терапевтических средств.

8.8. Образование и обезвреживание аммиака в организме
Аммиак образуется в результате дезаминирования таких веществ как аминокислоты, амины, пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды.
Аммиак чрезвычайно токсичное вещество. Токсичность аммиака объясняется многими его эффектами, главным среди которых является связывание альфа-кетокислот и блокирование включения их в цикл Кребса, что нарушает энергетический обмен в тканях. Аммиак может нарушать обмен глютамата и глютамина в ткани мозга, вызывать повышение концентрация глютамата до токсичных концентраций. Кроме того, аммиак вызывает защелачивание в тканях и нарушает транспорт ионов Na+ и Са2+. В связи с этим концентрация аммиака в тканях и в крови поддерживается на очень низком уровне. В плазме крови она составляет 20-80 мкмоль/л. Такая низкая концентрация обеспечивается наличием в организме различных путей связывания (обезвреживания) аммиака. Эти способы можно разделить следующим образом:
временные пути (протекают в тканях):
восстановительное аминирование альфа-кетокислот;
амидирование белков;
синтез глютамина;
образование конечных продуктов азотистого обмена:
соли аммония;
мочевина.

8.8.1. Пути временного (экстренного) связывания аммиака в тканях

8.8.1.1. Восстановительное аминирование альфа-кетокислот
Восстановительное аминирование альфа-кетокислот заключается в присоединении аммиака к альфа - кетокислоте с одновременным её восстановлением с образованием аминокислоты. В качестве альфа-кетокислот чаще используются пировиноградная кислота, которая восстанавливается в аланин, щавелевоуксусная, переходящая в аспарагиновую кислоту и альфа - кетоглютаровая кислота, восстанавливающаяся в глютаминовую кислоту.

Биологическое значение восстановительного аминирования кетокислот:
способ быстрого связывания аммиака;
способ синтеза новых заменимых аминокислот.

8.8.1.2. Амидирование тканевых белков
Амидирование тканевых белков заключается в присоединении аммиака к карбоксильным группам радикалов аспарагиновой, глютаминовой аминокислот и к альфа - концевым карбоксильным группам.

Амидирование белков сопровождается определёнными изменениями их структуры и физико-химических свойств и биологической активности.


8.8.1.3. Биосинтез глютамина
В процессе биосинтеза глютамина происходит амидирование карбоксильной группы свободной глютаминовой кислоты. Данная реакция ведёт к переходу аммиака в его нетоксичную транспортную форму - глютамин, в виде которой аммиак из тканей переносится в печень и почки. Глютамин может поступать в ткани, где он служит источником азота для синтеза аминосахаров, пуриновых пиримидиновых нуклеотидов.



У детей синтез глютамина и его использование протекает более активно, чем у взрослых людей. Глютамин транспортирует аммиак в печень и почки, где образуются конечные продукты азотистого обмена: аммонийные соли и мочевина.

8.8.2. Конечные продукты азотистого обмена

8.8.2.1. Синтез аммонийных солей в почках
В почках под действием активного фермента глютаминазы происходит гидролитическое расщепление глютамина на глютаминовую кислоту и аммиак.
В почках при выведении протонов происходит одновременная реабсорбции ионов Nа+ и К+. Таким образом, глютаминаза почек участвует в регуляции кислотно-основного баланса.

Активность глютаминазы зависит от рН. При ацидозе активность фермента возрастает, что увеличивает выведение протонов и снижает степень ацидоза.
У взрослых людей за сутки выделяется 0,5-1,2 г аммонийных солей. На них приходится 3,5% выводимого азота. У детей относительная доля аммонийных солей выше, чем у взрослых. У новорожденных азот аммонийных солей составляет до 8,5%.
8.8.2.2. Биосинтез мочевины его нарушения
Глютамин поступает в печень, где под действием фермента глютаминазы высвобождается аммиак, который превращается в мочевину. В синтезе мочевины участвует аминокислота орнитин, поэтому синтез мочевины называют орнитиновым циклом.



Основным местом синтеза мочевины является печень.
Ключевыми ферментами биосинтеза мочевины являются карбамоилфосфат-синтетаза, ортиникарбамоилтрансфераза и аргиназа. Источниками азота в мочевине являются аммиак и аспарагиновая кислота. Орнитиновый цикл тесно связан с циклом Кребса. Фумаровая кислота из орнитинового цикла уходит в цикл Кребса. Цикл трикарбоновых кислот, в свою очередь, обеспечивает орнитиновый цикл молекулами АТФ.



У здорового взрослого человека за сутки образуется 20 - 40 г мочевины, на долю которой приходится до 90% всего выводимого азота. У детей синтез мочевины менее активен, чем у взрослых, что связано с меньшей активностью ферментов печени. У новорожденных экскретируется около 1 г мочевины, (75% выводимого азота), к возрасту 1 года синтезируется около 4 г мочевины.

Особенности выведения конечных азотистых продуктов у детей


Взрослые
Дети

Мочевина
NH4 - соли
Мочевая кислота
90%
3,5
1,5%
75%
8,5%
8,5%
Больше азота аминокислот и креатинина


В детском возрасте могут выявляться нарушения синтеза мочевины, что ведёт к увеличению концентрации аммиака в крови и тканях. Они проявляются рвотой, судорогами после приёма белковой пищи. Симптомы интоксикации уменьшаются при дробном белковом питании. Нарушения мочевинообразования связаны с отсутствием или низкой активности ферментов, участвующих в этом процессе.

Аферментозы биосинтеза мочевины

Отсутствующий фермент

Заболевание

Карбамаилфосфатсинтетаза
Гипераммониемия I типа.

Орнитинкарбамоилтрансфераза
Гипераммониемия II типа

Аргининсукцинатсинтетаза
Цитруллинемия

Аргининсукцинатлиаза
Аргининсукцинатурия

Аргиназа
Аргининемия.


В мышцах происходит своеобразное связывание аммиака – аланиновый цикл, представленный на схеме:


8.9. Обмен безазотистых радикалов аминокислот
Безазотистые радикалы аминокислот могут использоваться следующим образом:
участвуют в синтезе новых аминокислот;
используются для синтеза углеводов;
используются для синтеза кетоновых тел;
в виде альфа-кетокислот включаются в цикл Кребса и служат источниками энергии.
В зависимости от того, какие вещества могут синтезироваться из аминокислот, они делятся на 3 группы.
Гликогенные аминокислоты, радикал которых может использоваться на глюконеогенез. К этой группе относится большинство аминокислот.
Кетогенные аминокислоты, радикал которых участвует в синтезе кетоновых (ацетоновых) тел. К этому виду аминокислот относятся лейцин, изолейцин, триптофан, лизин.
Смешанные аминокислоты, участвующие в синтезе и углеводов, и ацетоновых тел. В эту группу входят фенилаланин, тирозин.
Все 20 аминокислот в процессе катаболизма превращаются в 7 безазотистых продуктов: пируват, щавелевоуксусная кислота (оксалацетат), альфа - кетоглютаровая кислота, фумаровая кислота, сукцинил-КоА, ацетил-КоА (эти вещества в последующем могут идти на синтез углеводов), ацетоацетил - КоА (используется на синтез ацетоновых тел, также как и ацетил КоА).

8.10. Особенности обмена отдельных аминокислот

8.10.1. Обмен глицина и серина
Глицин и серин являются источниками одноуглеродных радикалов.
Глицин – заменимая аминокислота. Он широко используется в тканях в следующих процессах:
синтез гема;
синтез креатина;
синтез пуриновых нуклеотидов;
входит в состав глютатиона;
участвует в процессах детоксикации;
переходит в углеводы через образование пирувата;
служит источником метиленового радикала (СН2 =).
Метиленовый радикал используется для биосинтетических процессов в комплексе с активной формой фолиевой кислоты - тетрагидрофолевой кислотой (ТГФК). Основная реакция распада глицина, ведёт к образованию метилен - ТГФК


Серин – заменимая аминокислота. Используется в многочисленных биосинтетических процессах:
синтез фосфолипидов (фосфатидилсерин);
синтез сфингозина и сфинголипидов;
переходит в углеводы через стадию образования пирувата.
источник метиленового радикала;



8.10. 1.1. Фолиевая кислота
Фолиевая кислота (Витамин Вс, В9,, антианемический витамин) включает в свой состав птеридин, парааминобензойную кислоту, глютаминовую кислоту. Она содержится в зелёных частях растений, в дрожжах. Суточная потребность в ней составляет до 2 мг. Биологическая роль: в виде ТГФК является переносчиком одноуглеродных радикалов от серина и глицина, использующихся для синтеза нуклеиновых кислот, аминокислот. Фолиевая кислота переходит в ТГФК при участии фермента фолатредуктазы с присоединением 4-х атомов водорода. В клинической практике в качестве противоопухолевых препаратов используют антивитамииы фолиевой кислоты, которые имеют структуру, близкую к птеридину и являются ингибиторами фолатредуктазы, вследствие чего блокируют синтез нуклеиновых кислот в опухолях. В качестве бактериостатических препаратов применяют сульфаниламидные соединения, имеющие структуру, сходную с парааминобензойной кислотой. В силу этого сульфаниламиды блокируют в микроорганизмах синтез фолиевой кислотой, которая является фактором роста микроорганизмов. Авитаминоз фолиевой кислоты проявляется в виде анемии.

8.10. 2. Обмен серосодержащих аминокислот цистеина и метионина
Цистеин и метионин являются источником: серы и метильных групп.
Цистеин при окислении, декарбоксилировании, трансаминировании переходит в таурин и серную кислоту, входит в состав глютатиона, через стадию пирувата может использоваться для синтеза углеводов.
Таурин используется на синтез парных жёлчных кислот и участвует в развитии нейросетчатки, головного мозга у плода и в раннем детском возрасте. Образующаяся серная кислота используется на синтез кислых гликозаминогликанов. В активной форме в виде ФАФС она участвует в обезвреживании токсичных продуктов в печени

Обмен цистеина

Метионин - незаменимая аминокислота, донатор метильных групп в реакциях метилирования.
В реакциях трансметилирования метионин участвует в активной форме – S+-(СН3) - аденозилметионин (SАМ), образующийся при взаимодействии метионина с АТФ.
Общая схема реакции метилирования различных веществ (R) с участием фермента метилтрансферазы имеет вид:
S+ (СН3) - аденозилметионин + R → R-СН3 + аденозилгомоцистеин.

Примеры:


Метионин используется в многочисленных биосинтетических процессах:
синтез холина;
синтез тимина, с последующим включением его в ДНК;
синтез адреналина;
синтез карнитина – переносчика жирных кислот при их β - окислении;
синтез креатина – азотистого вещества мышц;
реакции обезвреживания;
донор серы.
В реакции метилирования аденозилметионин, отдавая СН3 –радикал, превращается в аденозилгомоцистеин, который затем распадается на аденозин и гомоцистеин. В последующем гомоцистеин может дальше превращаться двумя способами: при взаимодействии с серином переходит в цистеин или при участии ТГФК и вит. В12 реметилируется в метионин.

8.10. 2.1. Витамин В12
Витамин В12 (кобаламин, антианемический витамин) содержит корриновое кольцо с кобальтом в центре. Он содержится в печени, мясе. Суточная потребность в витамин В12 составляет 3 мкг. Биологическая роль:
участвует в синтезе метионина (реметилирование);
участвует в распаде жирных кислот с нечётным числом углеводных атомов;
участвует в восстановлении рибонуклеотидов до дезоксирибонуклеотидов.
Авитаминоз проявляется анемией и поражением некоторых структур спинного мозга.

8.10.2.2. Нарушения обмена серосодержащих аминокислот
Цистинурия – заболевание, при котором серосодержащие аминокислоты теряются с мочой в результате нарушения реабсорбции в почках.
Цистиноз – накопление серосодержащих аминокислот в тканях в результате снижения активности лизосомальных ферментов их распада.
Гомоцистинурия – патологическое состояние, при котором с мочой выделяется гомоцистеин в результате нарушения промежуточных стадий обмена серосодержащих аминокислот. Накапливающиеся в литературе данные свидетельствуют о том, что гомоцистеин играет существенную роль в патогенезе сердечно-сосудистых заболеваний, тромбозов.

8.10.3. Обмен фенилаланина и тирозина и его нарушения
Фенилаланин – незаменимая аминокислота. Основной реакцией превращения фенилаланина в организме является окисление его в тирозин при участи фермента фенилаланингидроксилазы и кофермента тетрагидробиоптерина. При врожденном дефекте данного фермента развивается заболевание фенилкетонурия, при котором фенилаланин переходит в токсичные для ткани мозга соединения фенилпируват, фенилацетат. А возникающий дефицит тирозина блокирует синтез нейромедиаторов. Фенилкетонурия сопровождается развитием слабоумия (фенилпировиноградная олигофрения).
Тирозин – заменимая аминокислота. Она используется на синтез многих важных веществ:
синтез тироксина (гормона щитовидной железы);
путём окисления переходит в диоксифенилаланин (ДОФА), который затем в коже используется для синтеза меланинов, а в эндокринных железах – для синтеза норадреналина, адреналина, дофамина (катехоламины);
путём трансаминирования превращается в фумаровую кислоту, которая используется для синтеза углеводов, и в ацетоуксусную кислоту, идущую на синтез ацетоновых тел.
Окисление тирозина

При нарушении активности ферментов синтеза меланинов развивается альбинизм, при котором снижается фотопротекторная, антиоксидантная, иммуномодулирующая функция меланинов.

Трансаминирование тирозина


При врожденном дефекте трансаминазы, гидроксилазы, гидролазы развиваются различные виды тирозинозов. При отсутствии оксидазы гомогентизиновой кислоты наблюдается алкатонурия, характеризующаяся повышенным выделением с мочой гомогентизиновой кислоты, которая при контакте с воздухом переходит в продукты тёмного цвета.

8.11. Регуляция белкового обмена
Авторегуляция проявляется в том, что при увеличении в рационе белковой пищи происходит постепенная активация ферментов желудочно – кишечного тракта, активация тканевых ферментов, участвующих в катаболизме белков и аминокислот.
Нервная регуляция подтверждается тем, что денервация мышечной ткани резко снижает синтез белков в ней, а при интенсивной мышечной работе происходит усиление синтеза мышечных белков.
Эндокринная регуляция осуществляется при участии гормонов гипофиза, щитовидной, поджелудочной, половых желез, надпочечников. К гормонам, которые уменьшают распад тканевых белков и активируют их синтез, относятся соматотропин, физиологические концентрации гормонов щитовидный, андрогены, инсулин. Распад тканевых белков активируют высокие концентрации гормонов щитовидной железы. В соединительной, лимфоидной ткани распад белков усиливают глюкокортикоиды.
У новорожденных развивается физиологическая транзиторная гипопротеинемия - снижение концентрации белка в плазме крови. Она связана с усиленным распадом белков и использованием их на энергетические нужды в период неонатальной адаптации.

8.12. Патология белкового обмена
В предыдущих разделах изложены нарушения обмена серосодержащих аминокислот (обмен серосодержащих аминокислот), нарушения обмена фенилаланина, тирозина (обмен фенилаланина и тирозина), нарушения синтеза мочевины (биосинтез мочевины).
Белковое голодание может наблюдаться при недостатке белков в рационе, недостатке витаминов, заболеваниях желудочно–кишечного тракта. При белковом голодании усиливается распад собственных тканевых белков, особенно в таких тканях как мышцы, печень и плазма крови. Развивается отрицательный азотистый баланс, дистрофия мышц, нарушение антитоксической функции печени, гипопротеинемия и как следствие, голодные отёки. Происходит уменьшение подкожной клетчатки, страдают иммунные процессы. Тяжелая форма белкового голодания носит название квашиоркор (красный ребёнок).
9. ОБМЕН И ФУНКЦИИ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

9.1. Химический состав и строение нуклеиновых кислот
Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные полимерные соединения, мономером которых являются мононуклеотиды.
Мононуклеотиды включают в свой состав три вещества: пуриновые(аденин, гуанин) и пиримидиновые (урацил, тимин, цитозин) азотистые основания, углевод (рибоза или дезоксирибоза), фосфорную кислоту.

Гуанин, содержащий в шестом положении кольца ОН группу, всоставе нуклеиновых кислот находится в лактамной форме (=О). При образовании лактамной формы атом водорода перемещается от кислорода к рядом расположенному первому атому азота.


Пиримидиновые нуклеотиды в составе нуклеиновых кислот находятся в лактамной форме, позволяющей пиримидиновым основаниям включаться в состав нуклеотидов и участвовать в образовании водородных связей в ДНК.


Азотистые основания соединяются с углеводом β - N- гликозидной связью. Пуриновое основание соединяется с углеводом за счёт 9 атома азота, а пиримидиновое - за счёт 1 атома азота. К углеводу фосфоэфирной связью присоединяется фосфорная кислота.
В зависимости от количества остатков фосфорной кислоты различают нуклеозидмонофосфаты (цикло-АМФ, ФАФС, S-аденозилметионин), нуклеозиддифосфаты (УДФ-глюкоза, ЦДФ-холин), нуклеозидтрифосфаты (макроэрги).


Нуклеотиды соединяются в полинуклеотидную цепь фосфодиэфирными связями, образованными фосфорной кислотой и рибозой соседних нуклеотидов (к рибозе одного нуклеотида фосфорная кислота присоединяется в третьем положении, а к рибозе соседнего нуклеотида - в пятом положении).


Рибонуклеиновые кислоты (РНК)
Все виды РНК состоят из одной полинуклеотидной цепи. Азотистые основания в РНК представлены аденином, гуанином, урацилом, цитозином. Углевод представлен рибозой. Различают несколько видов РНК.
Транспортные РНК (тРНК) осуществляют транспорт аминокислот на рибосомы, к месту синтеза белка. Молекулярная масса тРНК составляет около 30 000 д. Полинуклеотидная цепь тРНК включает в свой состав 70-80 нуклеотидов. На долю тРНК приходится около 15% всего запаса РНК клетки. В тРНК содержится большое количество минорных нуклеотидов (модифицированные формы обычных оснований). Между комплементарными нуклеотидами участков тРНК возникают водородные связи, и формируется её вторичная структура в виде трилистника (форма клеверного листа). В составе тРНК выделяют 2 важных функциональных участка. На средней петле располагается антикодон, комплементарный кодонам иРНК, на открытом конце – акцепторный участок, к которому присоединяется аминокислота. Для переноса каждой аминокислоты в клетках имеется своя тРНК.
тРНК имеет 3-ю структуру, которая представляет собой компактное наложение петель друг на друга.
Различают изоакацепторные тРНК, которые переносят одну и ту же аминокислоту, но отличаются структурой и одним нуклеотидом в антикодоне.

Рибосомальные РНК (рРНК) составляют до 80% всей РНК клетки. Рибосомальная РНК локализована в рибосомах и обеспечивает биосинтез белка. Рибосома человека имеет молекулярную массу 80S, включает большую субъединицу массой 60S (включает РНК с массой 5S, 5,8S, 25S) и малую субъединицу с массой 40S (включает РНК массой 18S). Вторичная структура рРНК представляет компактную укладку, формирующую овальный каркас большой и малой субъединиц, соединённый с белками.
Информационная РНК (иРНК) имеет большую молекулярную массу около 106 д. На её долю приходится около 3% РНК клетки. В первичной структуре иРНК представлены кодоны, среди которых различают инициирующие (в них первый нуклеотид А), терминирующие (в них первый нуклеотид У) и кодоны, определяющие порядок аминокислот в синтезируемом белке. На одном конце иРНК имеется шапочка - кеп, необходимая для связывания иРНК с малой субъединицей рибосомы в начале синтеза белка. На другом конце полинуклеотидной цепи располагается полиадениловый хвост, выполняющий защитную функцию.



Дезоксирибонуклеиновая кислота
Азотистые основания в ДНК представлены аденином, гуанином, тимином, цитозином, углевод - дезоксирибозой. ДНК играет важную роль в хранении генетической информации. В отличие от РНК в ДНК присутствуют две полинуклеотидные цепи. Молекулярная масса ДНК около 109 д. Полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК объединяются по принципу комплементарности, известному как правила Чаргафа (1939 г.). Правила Э. Чаргафа включают несколько положений.
Количество остатков аденина равно количеству остатков тимина (А=Т). Количество остатков гуанина равно количеству остатков цитозина (Г=Ц).
Сумма пуриновых оснований (А + Г) равна сумме пиримидиновых оснований (Т + Ц).
В комплементарных позициях количество оснований с аминогруппой равно количеству оснований с кетогруппой (Г + Т = А + Ц).
Для всех видов ДНК существует коэффициент видовой специфичности – отношение Г + Ц/А + Т < 1.
На основании данных правил и результатов рентгеноструктурного анализа Д. Уотсон и Ф. Крик создали модель структуры ДНК, согласно которой в молекуле ДНК две полинуклеотидные цепи располагаются антипараллельно и соединяются водородными связями между комплементарными азотистыми основаниями. В паре А-Т возникают 2 водородные связи, в паре Г - Ц формируются 3 водородные связи.



Вторичная структура наиболее распространённой В формы ДНК представляет собой правозакрученную двойную спираль, в одном витке которой уложено 10 пар нуклеотидов. Шаг спирали равен 3,4 нм. В фагах присутствует Z форма (зигзагообразная) и кольцевая форма ДНК.
Для ДНК характерна более компактная укладка в виде суперспирали. ДНК формирует надмолекулярную структуру, объединяясь с ядерными белками и формируя полинуклеосомы.
ДНК образует вязкие водные растворы с двойным лучепреломлением, поглощающие УФЛ в интервале 260-280 нм. Под действием концентрированных растворов кислот, мочевины, физических факторов возможна денатурация ДНК, при которой происходит разрыв водородных связей и расхождение цепей молекулы ДНК. Денатурация может носить обратимый характер и переходить в ренативацию – восстановление водородных связей и структуры ДНК после удаления денатурирующего фактора. При ренативации возможно явление гибридизации – объединение комплементарных цепей ДНК из разных организмов. Возможна гибридизация нитей ДНК с РНК.

9.2. Обмен нуклеиновых кислот

9.2.1. Переваривание нуклеиновых кислот
Нуклеиновыми кислотами богаты мясо, икра, дрожжи. Поджелудочная железа выделяет ферменты РНК- азу и ДНК-азу, которые деполимеризуют нуклеиновые кислоты до полинуклеотидов. В кишечном соке содержатся ферменты полинуклеотидазы, диэстеразы, фосфатазы, нуклеотидазы, нуклезидазы, эстеразы, осуществляющие распад нуклеотидов. Всасыванию подвергаются нуклеозиды, азотистые основания, пентозы и фосфорная кислота.

9.2.2. Распад нуклеиновых кислот в тканях
Распад нуклеиновых кислот в тканях идентичен процессу ихраспада в желудочно-кишечном тракте. Углеводы и фосфорная кислота используются стандартно, а азотистые основания подвергаются распаду до конечных продуктов: мочевой кислоты (пуриновые основания) и мочевины (пиримидиновые основания).

9.2.2.1. Распад пуриновых нуклеотидов и его нарушения
Распад пуриновых оснований происходит путём их гидролитического дезаминирования без разрыва пуринового кольца с образованием мочевой кислоты.
Распад пуриновых оснований происходит не в свободном виде, а в составе нуклеозидов.






У взрослого человека экскретируется 0,5-1,5 г мочевой кислоты в сутки, азот которой составляет 3,5% всего выводимого азота. У детей относительная доля мочевой кислоты выше, чем у взрослых, на её азот приходится до 8,5%. В крови взрослых людей содержание мочевой кислоты равно 0,1-0,3(0,4) ммоль/л, у детей - до 0,47 ммоль/л. Мочевая кислота является антиоксидантом, в детском возрасте стимулирует развитие головного мозга. Мочевая кислота может присутствовать в тканях и в крови как в свободной форме (плохо растворимой в воде), так и в виде солей (более растворимых в воде). Повышение концентрации мочевой кислоты в крови - гиперурекимия. На её фоне могут развиваться подагра и почечнокаменная болезнь. При подагре кристаллы мочевой кислоты откладываются в околосуставных тканях в виде подагрических узлов. При почечнокаменной болезни кристаллы мочевой кислоты формируют камни в мочевыводящих путях.
К нарушениям распада пуриновых оснований относятся некоторые иммунодефициты. При отсутствии аденозиндезаминазы развивается Т- и В – иммунодефицит, а отсутствии нуклеозидфосфорилазы возможен В - иммунодефицит.
Для уменьшения гиперурекемии используют препараты – аналоги пуриновых оснований (например, аллопуринол), которые угнетают фермент ксантиноксидазу и блокируют образование мочевой кислоты. Накапливающиеся при этом в крови и тканях ксантин, гипоксантин, имеющие лучшую растворимость в воде, хорошо выделяются в составе мочи.

9.2.2.2. Распад пиримидиновых нуклеотидов
Распад пиримидиновых оснований происходит путём их гидролитического дезаминирования с разрывом кольца и образования мочевины.


При распаде тимина образуется бета - аминоизомасляная кислота.

9.2.3. Биосинтез пуриновых нуклеотидов и его нарушения
Возможны 2 способа синтеза пуриновых нуклеотидов в тканях: основной путь (синтез из простых предшественников) и дополнительный путь (синтез из готовых азотистых оснований).
Основной путь синтеза пуриновых нуклеотидов
Исходным веществом для синтеза пуриновых нуклеотидов является активная форма рибозы – 5-фосфорибозил – 1 -пирофосфат, которая образуется из рибозо – 5 - фосфата (из пентозофосфатного пути) и АТФ под действием фермента фосфорибозилкиназы


Особенностью многоэтапного синтеза пуриновых нуклеотидов является постепенное формирование пуринового цикла в составе 5-фосфорибозильного производного с вовлечением в процесс синтеза целого ряда метаболитов, Ключевая реакция:


Азот аминогруппы 5 – фосфорибозил - 1-амина займёт 9 положение в пуриновом основании. В последующем происходит формирование пуринового нуклеотида.
Источники атомов углерода и азота в пуриновом кольце:



Первым нуклеотидом - предшественником является инозиновая кислота (инозинмонофосфат - ИМФ), состоящая из гипоксантина, рибозы и фосфорной кислоты.
Из ИМФ в последующем образуются АМФ, ГМФ. При синтезе АМФ к ИМФ присоединяется аспарагиновая кислота, расходуется энергия ГТФ и через промежуточную стадию в 6 положении ОН - группа заменяется на NH2 –группу. В последующем происходят последовательные реакции АМФ →АДФ→АТФ. Синтез ГМФ включает окисление у 2 углеродного атома, с образованием ксантиловой кислоты с последующим замещением ОН - группы на NН2 – группу глютамина. В синтезе ГМФ используется энергия АТФ. В последующем происходят реакции ГМФ→ ГДФ→ГТФ.


Авторегуляция синтеза пуриновых нуклеотидов
Регуляторным ферментом синтеза пуриновых нуклеотидов является амидотрансфераза. Активность этого фермента по аллостерическому механизму подавляются высокими концентрациями пуриновых нуклеотидов. На конечных стадиях синтеза ГТФ активирует синтез адениловых нуклеотидов, а АТФ – гуаниловых нуклеотидов.

Дополнительный путь синтеза пуриновых нуклеотидов
Возможен синтез пуриновых нуклеотидов из готовых пуриновых оснований и активной формы рибозы.

Аналогично протекает синтез ГМФ. При врождённом дефекте гипоксантин-гуанинфосфорибозилтрансферазы развивается заболевание Леш Нихана, при котором наблюдается гиперурикемия, нарушение психики.

9.2.4. Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов
Основной путь синтеза пиримидиновых нуклеотидов происходит из исходных простых веществ. Особенностью синтеза пиримидиновых нуклеотидов является предварительный синтез пиримидинового кольца и включение его в состав нуклеотида только на завершающих стадиях.
При дефекте оротатфосфорибозилтрансферазы развивается – оротатацидурия. ОМФ является предшественником уридиловых, цитидиловых и тимидиловых нуклеотидов

Синтез уридилового нуклеотида:







Синтез цитидилового нуклеотида:



Синтез тимидилового нуклеотида:




Авторегуляция синтеза пиримидиновых нуклеотидов
Ключевыми ферментами являются карбамоилфосфатсинтетаза и карбамоиласпартаттрансфераза
Эти аллостерические ферменты угнетаются высокими концентрациями готовых пиримидиновых нуклеотидов.

Многие противоопухолевые препараты являются ингибиторами фермента тимидилатсинтетазы.
Дополнительный путь синтеза пиримидиновых нуклеотидов возможен из готовых оснований.

9.3. Биосинтез ДНК
Возможны 2 пути биосинтеза ДНК в организме: репликация, репарация.
Репликация - самовоспроизведение молекулы ДНК с целью передачи генетической информации. В репликации ДНК участвует сложный репликационный комплекс, который включает в себя:
нуклеотиды в виде трифосфатов (АТФ, ГТФ, ТТФ, ЦТФ). Они являются одновременно и структурным материалом и источником энергии;
ДНК-матрица – программа, по которой будет синтезироваться ДНК;
праймер (затравка) - короткая молекула РНК, к которой присоединяется первый нуклеотид ДНК;
ферменты:
ДНК-полимеразы соединяют нуклеотиды в полинуклеотидную цепь;
ДНК-рестриктазы разрывают полинуклеатидную цепь ДНК;
ДНК-лигазы соединяют фрагменты ДНК;
хеликазы раскручивают молекулу ДНК;
топоизомеразы осуществляют кратковременные разрывы ДНК в процессе синтеза и контролируют конформацию вновь синтезированной ДНК;
праймазы – осуществляют синтез затравки.
белковые факторы;
ионы металлов.
Репликация ДНК происходит в S-фазу клеточного цикла. Важную роль в чередовании циклов выполняют белки - циклины.
Сущность репликации сводится к соединению нуклеотидов в комплементарную антипараллельную дочернюю цепь ДНК. В репликации выделяют 3 стадии: инициация (начало синтеза), элонгация (удлинение цепи), терминация (окончание синтеза).
Матрицей для синтеза ДНК являются обе полинуклеотидные цепи материнской ДНК. Репликация начинается в нескольких участках материнской ДНК (точки репликации, точки Ориджины). В них происходит частичный разрыв водородных связей с формированием репликационных утолщений (узелков). В последующем, при участии ферментов ДНК-рестриктаз происходит разрезание молекулы ДНК. Под действием ферментов хеликаз возникает расплетание (раскручивание) двух цепей, и при участии топоизомераз формируется репликационная вилка, в которой одна цепь имеет направление 5→3, а вторая 3→5. Затем на каждой из ПНЦ синтезируются дочерние нити ДНК по принципу комплементарности. Поскольку ДНК- полимераза замыкает связь только в направлении 5’→3’, то на одной цепи ДНК происходит синтез непрерывной (лидирующей) нити ДНК в направлении 5→3. При синтезе лидирующей цепи праймазы синтезируют праймер, затем ДНК- полимераза присоединяет к праймеру первый ДНК-овый нуклеотид и по принципу комплементарности происходит удлинение молекулы ДНК. На второй материнской нити ДНК синхронно синтезируется отстающая нить ДНК, которая синтезируется в виде небольших фрагментов в направлении 5→3. В последующем эти фрагменты (фрагменты Оказаки) соединяются между собой ДНК-лигазами. Праймеры при этом расщепляются.
Таким образом, биосинтез ДНК проходит по полуконсервативному типу, при котором в новой ДНК одна цепь материнская, а другая - дочерняя.

Репарация ДНК происходит при появлении в её молекуле повреждений, искажений. При репарации вначале распознаётся место повреждения, затем ферменты рестриктазы вырезают дефектный участок, ДНК-полимеразы по принципу комплементарности синтезируют отсутствующий участок, а ДНК-лигазы прикрепляют его к сохранившимся участкам неповреждённой ДНК.

9.4. Биосинтез РНК (транскрипция)
Транскрипция – синтез молекулы РНК по матрице ДНК. Биологическая роль: перенос генетической информации с ДНК на РНК. Для транскрипции необходимы:
матрица (программа) – кодирующая нить ДНК;
субстраты – АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ;
ферменты – РНК-полимеразы;
белковые факторы;
ионы магния, марганца.
Выделяют 3 стадии транскрипции: инициация, элонгация, терминация
На молекуле ДНК имеется особый участок промотор, с которым связывается РНК-полимераза. Промотор иногда называют ТАТА участком (в нём преобладают тимин, аденин, между которыми 2 водородные связи). Рядом с промотором расположены сигнальные участки, определяющие скорость транскрипции. Далее в молекуле ДНК располагаются кодирующие (экзоны) и некодирующие (интроны) участки гена. Участок (сайт) терминации определяет окончание синтеза РНК.
Инициация заключается во взаимодействии иницирующих белков с промотором и расхождении нитей ДНК, их раскручивании и формировании транскрипционной вилки. РНК-полимераза связывается с промоторным участком и по принципу комплементарности соединяет нуклеотиды цепи РНК в направлении от 5 конца к 3. РНК-полимераза - олигомерный фермент, состоящий из нескольких субъединиц, не требующий затравки. При достижении РНК – полимеразой участка терминации происходит его связывание с белками терминации, что сопровождается отщеплением РНК-полимеразы от ДНК, диссоциацией её и окончанием транскрипции.
Процессинг РНК
Синтезированная РНК переписывает с кодирующей нити ДНК, как кодирующие участки, так и некодирующие участки гена и является про-РНК (незрелой РНК). Про-РНК в последующем подвергается созреванию (процессингу). Существует несколько механизмов процессинга:
сплайсинг – вырезание копий интронов и соединение копий экзонов;
присоединение к про-РНК добавочных нуклеотидов;
модификация азотистых оснований в составе про-РНК.
Особенности процессинга для рРНК, тРНК, иРНК.
Процессинг иРНК заключается в присоединении КЭП - участка и полиаденилового хвоста в сочетании со сплайсингом.
Процессинтг тРНК происходит путём метилирования азотистых оснований и добавления акцепторного участка ЦЦА в сочетании со сплайсингом.
Процессинтг рРНК заключается в вырезании из большого предшественника фрагментов всех видов РНК: 18S; 5S; 5,8S; 28S.
Возможен альтернативный сплайсинг, который состоит в том, что для различных белков интроны могут служить экзонами.
Возможен и безматричный синтез РНК; он происходит из нуклеозиддифосфатов при участии фермента полинуклеотидфосфорилазы. Данным способом синтезируются стандартные, небольшие молекулы РНК, необходимые для синтеза стандартных белков.
Таким образом, передача генетической информации происходит в следующем направлении: ДНК→ РНК→ белок. Однако, в некоторых фагах, эмбриональных тканях возможен синтез ДНК по матрице РНК (РНК→ДНК). Этот вариант синтеза катализирует фермент РНК-зависимая ДНК-полимераза (обратная транскриптаза, ревертаза). В вирусах возможен также вариант синтеза РНК→РНК при участии РНК-репликазы.

9.5. Биосинтез белков (трансляция)
Основной структурой синтезируемых белков является первичная структура (последовательность аминокислот в полипептидной цепи), которая заложена в генетическом коде ДНК.

9.5.1. Характеристика генетического кода
Генетический код имеет ряд характеристик.
Триплетность –1 аминокислота кодируется тремя нуклеотидами. Из 4 видов нуклеотидов ДНК при триплетности кода возможно 64 различных сочетания, что достаточно для кодирования 20 аминокислот.
Однозначность – 1 триплет кодирует только 1 аминокислоту.
Вырожденность – для кодирования 1 аминокислоты может быть несколько триплетов
Непрерывность – между триплетами отсутствуют нуклеотиды, не принадлежащие соседним триплетам.
Неперекрываемость – один нуклеотид не может одновременно принадлежать 2-м триплетам.
Универсальность – код в разных организмах одинаков, отвечает за одни и те же аминокислоты.
Таким образом, код ДНК является линейным непрерывным и однонаправленным. Последовательность нуклеотидов строго соответствует последовательности аминокислот в синтезируемом белке – принцип коллинеарности.

9.5.2. Трансляция
Для трансляции необходимы следующие факторы:
все виды РНК (тРНК, иРНК, рРНК);
аминокислоты в активной форме;
макроэрги;
ферменты;
добавочные белковые факторы;
ионы Mg2+.
На первой подготовительной стадии происходит активация аминокислот и связывание их со своей транспортной РНК. В этой стадии участвуют ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы. Это специфичные ферменты, обеспечивающие соединение аминокислоты с соответствующей тРНК.



Инициация синтеза белка происходит при образовании инициирующего комплекса, который включает в себя инициирующий кодон (АУГ, АГУ) иРНК, аминоацил - тРНК, рибосому. Информационная РНК своим КЭП-участком соединяется с малой субъединицей рибосомы. К инициирующему кодону присоединяется тРНК с первой аминокислотой (чаще всего метионином). К малой субъединице присоединяется большая субъединица рибосомы, и на рибосоме формируется два функциональных участка: пептидильный (Р-участок) и аминоацильный (А-участок). Первая тРНК с первой аминокислотой присоединяется к Р-участку, а А-участок оказывается свободным.
Элонгация включает в себя замыкание пептидной связи, транслокацию рибосомы по иРНК с использованием энергии ГТФ и АТФ. К свободному А-участку присоединяется своим антикодоном вторая тРНК со второй аминокислотой. Под действием фермента пептидилтрансферазы первая аминокислота отрывается от первой тРНК и присоединяется ко второй аминокислоте с формированием дипептида. В последующем происходит смещение (транслокация) рибосомы по иРНК на расстояние трёх нуклеотидов. При этом вторая тРНК с дипептидом оказывается в пептидильном участке, а аминоацильный участок освобождается. Первая тРНК перемещается из рибосом в цитозоль для соединения с новой аминокислотой, а к А-участку присоединяется третья тРНК с третьей аминокислотой. Затем дипептид переносится на третью аминокислоту сообразованием трипептида. Синтез полипептидной цепи белка осуществляется в направлении от N-конца к С-концу. В процессе трансляции тРНК выполняет своеобразную адапторную роль в переводе четырёхзначной информации иРНК в двадцатизначную информацию в белках.
Терминация происходит при приближении белоксинтезирующего комплекса к терминирующему кодону иРНК (УАГ, УГА). Этому кодону не соответствует ни одна из тРНК, поэтому не приносится новая аминокислота, и синтез белка обрывается.

9.5.3. Посттрансляционная модификация белков
Многие синтезированные белки в последующем подвергаются посттрансляционной модификации. Существует несколько её вариантов. Наиболее часто встречается:
частичный протеолиз – отщепление ненужных участков
(профермент→фермент; прогормон→гормон);
модификация отдельных аминокислот:
окисление (пролин→гидроксипролин в коллагене);
фосфолирирование (присоединение фосфата);
гликозилирование (присоединение углевода);
карбоксилирование (присоединение группы СООН в некоторых факторах свёртывания крови);
присоединение простетической группы;
замыкание дисульфидных мостиков;
изменение олигомерности белка (объединение нескольких мономеров).
В посттрансляционной модификации белков играют важную роль белки - шапероны (они следят за правильностью модификации).

9.5.4. Ингибиторы биосинтеза белка
В клинической практике применяют в качестве антибактериальных препаратов ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот и белка в микроорганизмах. Они проявляют эффект на различных стадиях:
на стадии репликации
Антимицин Д – встраивается в молекулу ДНК и блокирует синтез новой ДНК;
Новобиацин – ингибирует ДНК-гиразу (топоизомеразу);
на стадии транскрипции
Рифамицин – блокирует РНК-полимеразу;
на стадии трансляции
Тетрациклин, левомицетин – связывают либо малую, либо большую субъединицу рибосомы и тем самым блокируют синтез белка;
Пенициллин – блокирует синтез белков, входящих в оболочку микроорганизмов.

9.5.5. Регуляция биосинтеза белка
Наиболее подробно выяснена регуляция синтеза белка на микроорганизмах. Общепринятой является схема авторегуляции Ж. Моно и Ф. Жакоба. Согласно этой схеме, в молекуле ДНК выделяют ген-регулятор, который отвечает за синтез особой РНК и в последующем за синтез особого белка репрессора. На удалении от этого участка находятся ген-оператор и струрктурные гены. Структурные гены (цистроны) служат матрицей для синтеза иРНК, а в последующем – белков. Белки в процессе обмена образуют метаболиты. Метаболиты связываются с репрессором. Репрессор регулирует активность гена – оператора, который, в свою очередь, влияет на структурные гены.
Угнетение биосинтеза белков осуществляется по принципу обратной связи. Высокая концентрация белка и метаболитов приводит к тому, что метаболиты связываются с регрессором и активируют его. Активный репрессор подавляет ген - оператор, а тот - структурные гены, в силу чего синтез белка прекращается.




10. БИОХИМИЯ ГОРМОНОВ
Гормоны – органические биологические вещества, вырабатываемые в эндокринных железах или отдельных клетках, транспортируемые кровью и оказывающие регуляторное действие на обменные процессы и физиологические функции.
Гормоны являются первичными посредниками между центральной нервной системой и тканевыми процессами. К эндокринным железам относится гипоталамус, гипофиз, эпифиз, тимус, щитовидная железа, паращитовидная железа, поджелудочная железа, надпочечники, половые железы и диффузная нейроэндокринная система. Единый принцип номенклатуры гормонов отсутствует. Их называют по месту образования (инсулин от insula-островок), по физиологическому эффекту (вазопрессин), гормоны передней доли гипофиза имеют окончание – тропин, окончание – либерин и – статин указывает на гипоталамические гормоны.

10.1. Классификация гормонов по их химической природе
По химической природе гормоны делят на 3 группы.
Белково-пептидные гормоны.
Простые белки (соматотропин, инсулин);
Пептиды (кортикотропин, меланотропин, кальцитонин);
Сложные белки (чаще гликопротеиды – тиреотропин, гонадотропин).
Гормоны - производные отдельных аминокислот (тироксин, адреналин).
Стероидные гормоны (производные холестерина – кортикостероиды, андрогены, эстрогены).
Химическая природа гормонов определяет особенности их метаболизма.

10.2. Общие сведения об обмене гормонов
Синтез гормонов. Гормоны белковой природы синтезируются по принципам трансляции. Гормоны - производные аминокислот синтезируются путём химической модификации аминокислот. Стероидные гормоны образуются путём химической модификации холестерина. Некоторые гормоны синтезируются в активной форме (адреналин), другие синтезируются в виде неактивных предшественников (препроинсулин). Некоторые гормоны могут активироваться за пределами эндокринной железы. Например, тестостерон в предстательной железе переходит в более активный дигидротестостерон. Синтез большинства гормонов регулируется по принципу обратной связи (авторегуляция)


Под действием импульсов ЦНС в гипоталамусе синтезируется либерины (кортиколиберин, тиреолиберин, соматолиберин, пролактолиберин, гонадолиберин), которые активируют функцию передней доли гипофиза, и статины, тормозящие функцию передней доли гипофиза (соматостатин, пролактостатин, меланостатин). Либерины и статины регулируют выработку тропных гормонов передней доли гипофиза. Тропины передней доли гипофиза, в свою очередь, активируют функцию периферических эндокринных желез, которые вырабатывают соответствующие гормоны. Высокая концентрация гормонов тормозит либо выработку тропных гормонов, либо выработку либеринов (отрицательная обратная связь).
При нарушении регуляции синтеза гормонов может возникать либо гиперфункция, либо гипофункция.
Транспорт гормонов. Водорастворимые гормоны (белково-пептидные гормоны, гормоны - производные аминокислот (исключая тироксин)) транспортируются свободно в виде водных растворов. Водонерастворимые (тироксин, стероидные гормоны) транспортируются в комплексе с транспортными белками. Например, кортикостероиды транспортируются белком транскортином, тироксин - тироксинсвязывающим белком. Белковосвязанные формы гормона расцениваются как определённое депо гормонов. Концентрация гормонов в плазме крови очень мала, находится в диапазоне 10-15-10-19 моль.
Циркулирующие в крови гормоны оказывают эффект на определённые ткани – мишени, в которых имеются рецепторы к соответствующим гормонам. Рецепторы чаще всего являются олигомерными гликопротеидами или липопротеидами. Рецепторы к различным гормонам могут располагаться или на поверхности клеток, или внутри клеток. Количество рецепторов, их активность может изменяться под действием различных факторов.
Катаболизм гормонов.
Гормоны белковой природы распадаются до аминокислот, аммиака, мочевины. Гормоны - производные аминокислот инактивируются различными способами – дезаминирование, отщепление йода, окисление, разрыв кольца. Стероидные гормоны инактивируются путём окислительно-восстановительных превращений без разрыва стероидного кольца, путём реакции конъюгирования с серной кислотой и глюкуроновой кислотой.

10.3. Механизмы действия гормонов
Различают несколько механизмов реализации гормонального сигнала для водорастворимых и водонерастворимых гормонов.
Все гормоны оказывают три конечных эффекта:
изменение количества белков и ферментов за счёт изменения скорости их синтеза;
изменение активности имеющихся в клетки ферментов;
изменение проницаемости клеточных мембран.

10.3.1. Цитозольный механизм действия гидрофобных (липофильных) гормонов Липофильные гормоны способны проникать в клетку через клеточную мембрану, поэтому рецепторы для них располагаются внутриклеточно в цитозоле, на митохондриях, на поверхности ядра. Рецепторы гормонов чаще всего включают 2 домена: для связывания с гормоном и для связывания с ДНК. Рецептор при взаимодействии с гормоном изменяет свою структуру, освобождается от шаперонов, в результате чего гормон - рецепторный комплекс приобретает способность проникать внутрь ядра и взаимодействовать с определёнными участками ДНК. Это, в свою очередь, ведёт к изменению скорости транскрипции (синтез РНК), а вследствие этого меняется и скорость трансляции (синтез белка).

10.3.2. Мембранный механизм действия водорастворимых гормонов
Водорастворимые гормоны не способны проникать через цитоплазматическую мембрану. Рецепторы для данной группы гормонов располагаются на поверхности клеточной мембраны. Поскольку гормоны не проходят внутрь клеток, между ними и внутриклеточными процессами необходим вторичный посредник, который передаёт гормональный сигнал внутрь клетки. В качестве вторичных посредников могут служить инозитолсодержащие фосфолипиды, ионы кальция, циклические нуклеотиды.

10.3.2.1. Циклические нуклеотиды - цАМФ, цГМФ - вторичные посредники
Гормон взаимодействует с рецептором и образует гормон - рецепторный комплекс, в котором меняется конформация рецептора. Это, в свою очередь, изменяет конформацию мембранного ГТФ - зависимого белка (G-белка) и ведёт к активации мембранного фермента аденилатциклазы, который переводит АТФ в цАМФ.



Внутриклеточный циклический АМФ служит вторичным посредником. Он активирует внутриклеточные ферменты протеинкиназы, которые катализируют фосфорилирование различных внутриклеточных белков (ферментов, мембранных белков), что приводит к реализации конечного эффекта гормона. Эффект гормона выключается под действием фермента фосфодиэстеразы, разрушающей цАМФ, и ферментов фосфатаз, дефосфорилирующих белки.


.
10.3.2.2. Ионы кальция - вторичные посредники
Взаимодействие гормона с рецептором повышает проницаемость кальциевых каналов клеточной мембраны, и внеклеточный кальций поступает в цитозоль. В клетках ионы Са2+ взаимодействуют с регуляторным белком кальмодулином. Комплекс кальций-кальмодулин активирует кальцийзависимые протеинкиназы, которые активируют фосфолирирование различных белков и приводят к конечным эффектам.

10.3.2.3. Инозитолсодержащие фосфолипиды - вторичные посредники.
Образование гормон-рецепторного комплекса активирует в клеточной мембране фосфолипазу С, которая расщепляет фосфатидилинозит на вторичные посредники диацилглицерин (ДАГ) и инозитол-трифосфат (ИФ3). ИФ3 активирует выход Са2+ из внутриклеточных депо в цитозоль. Ионы кальция взаимодействуют с кальмодулином, что активирует протеинкиназы и последующее фосфолирирование белков, сопровождающееся конечными эффектами гормона. ДАГ активирует протеинкиназу С, которая фосфорилирует сериновые или треониновые специфические белки – мишени, в результате чего может меняться проницаемость мембран, в ряде случаев через систему посредников происходит экспрессия генов.

10.4. Краткая характеристика гормонов

10.4.1. Белково-пептидные гормоны

10.4.1.1. Гормоны гипофиза
Гормонами передней доли гипофиза являются соматотропин, пролактин (простые белки), тиреотропин, фоллиторопин, лютропин (гликопротеиды), кортикотропин, липотропин (пептиды).
Соматотропин – белок, включающий около 200 аминокислот. Он обладает выраженным анаболическим действием, активирует глюконеогенез, синтез нуклеиновых кислот, белков, в частности, коллагена, синтез гликозаминогликанов. Соматотропин вызывает гипергликемический эффект, усиливает липолиз.
Гипофункция у детей ведёт к гипофизарной карликовости (нанизм). Гиперфункция у детей сопровождается гигантизмом, а у взрослых - акромегалиёй.
Пролактин - гормон белковой природы. Его продукция активируется в период лактации. Пролактин стимулирует: маммогенез, лактопоэз, эритропоэз
Фоллитропин – гликопротеид, определяет цикличность созревания фолликулов, выработку эстрогенов у женщин. В мужском организме он стимулирует сперматогенез.
Лютропин – гликопротеид, в женском организме способствует формированию желтого тела и выработке прогестерона, в мужском организме стимулирует сперматогенез и продукцию андрогенов.
Тиреотропин – гликопротеид, стимулирует развитие щитовидной железы, активирует синтез белков, ферментов.
Кортикотропин – пептид, включающий 39 аминокислот, активирует созревание надпочечников и выработку кортикостероидов из холестерина. Гиперфункция - синдром Иценко-Кушинга, проявляется гипергликемией, гипертензией, остеопорозом, перераспределением жиров с накоплением их на лице и груди.
Липотропин включает в свой состав около 100 аминокислот, стимулирует распад жиров, служит источником эндорфинов. Гиперфункция сопровождается гипофизарной кахексией, гипофункция - гипофизарным ожирением.
К гормонам средней доли гипофиза относится меланотропин (меланоцитостимулирующий гормон). Он является пептидом, стимулирует формирование меланоцитов и синтез в них меланинов, которые обладают фотопротекторным действием и являются антиоксидантами.
К гормонам задней доли гипофиза относятся вазопрессин (антидиуретический гормон) и окситоцин. Данные гормоны являются нейросекретами, они синтезируются в гипоталамических ядрах, а затем перемещаются в заднюю долю гипофиза. Оба гормона состоят из девяти аминокислот.
Вазопрессин регулирует водный обмен, усиливает в почках синтез белка аквапорина и реабсорбцию воды в почечных канальцах. Вазопрессин суживает сосуды и повышает артериальное давление. Недостаток гормона приводит к заболеванию несахарный диабет, проявляющийся резким увеличением диуреза.
Окситоцин стимулирует сокращение мускулатуры матки, сокращает гладкую мускулатуру молочных желез, усиливает отделения молока. Окситоцин активирует синтез липидов.

10.4.1.2. Гормоны паращитовидных желез
Гормонами паращитовидных желез являются паратгормон, кальцитонин, участвующие в регуляции кальций - фосфорного обмена.
Паратгормон – белок, включает в свой состав 84 аминокислоты, синтезируется в виде неактивного предшественника. Паратгормон повышает уровень кальция в крови и снижает содержание фосфора. Повышение уровня кальция в крови под действием паратгормона происходит благодаря его трём основным эффектам:
- усиливает вымывание кальция из костной ткани с одновременным обновлением органического матрикса кости;
- повышает задержку кальция в почках;
- вместе с витамином D3 усиливает синтез в кишечнике кальцийсвязывающего белка и всасывание кальция из пищевых продуктов.
При гипофункции паратгормона наблюдается гипокальциемия, гиперфосфатемия, мышечные судороги, нарушение работы дыхательной мускулатуры.
При гиперфункции паратгормона наблюдаются гиперкальциемия, остеопороз, нефрокальциноз, фосфатурия.
Кальцитонин – пептид, включающий в свой состав 32 аминокислоты. В отношении кальциевого обмена он является антагонистом паратгормона, т.е. снижает уровень кальция и фосфора в крови в основном за счёт уменьшения резорбции кальция из костной ткани

10.4.1.3. Гормоны поджелудочной железы
В поджелудочной железе вырабатываются гормоны инсулин, глюкагон, а также соматостатин, панкреатический полипептид
Инсулин – белок, состоит из двух полипептидных цепей, включающих 51 аминокислоту. Он синтезируется в β - клетках островков в виде предшественника препроинсулина, а затем подвергается частичному протеолизу. Инсулин регулирует все виды обмена (белковый, липидный, углеводный), в целом оказывает анаболическое действие. Влияние инсулина на углеводный обмен проявляется в увеличении проницаемости тканей для глюкозы, стимулировании синтеза глюкокиназы, усилении использования глюкозы в тканях. Инсулин повышает окисление глюкозы, её использование на синтез белков, жиров, вследствие чего развивается гипогликемия. Инсулин активирует липогенез, тормозит липолиз, проявляет антикетогенное действие. Инсулин усиливает синтез белков и нуклеиновых кислот.
Гипофункция сопровождается развитием сахарного диабета, который проявляется гипергликемией, глюкозурией, ацетонурией, отрицательным азотистым балансом, полиурией, обезвоживанием организма (смотри также Патология углеводного обмена).
Глюкагон – гормон пептидной природы, состоит из 29 аминокислот, синтезируется в α - клетках островков поджелудочной железы. Он обладает гипергликемическим действием, в основном за счёт усиления фосфоролитического распада гликогена в печени, но не в мышцах до глюкозы. Глюкагон активирует липолиз, активирует катаболизм белков.

10.4.1.4. Гормоны вилочкой железы
Тимус является органом лимфопоэза, тимопоэза и органом выработки гормонов, определяющих иммунные процессы в организме. Эта железа активна в детском возрасте, а к отрочеству происходит её инволюция. Основные гормоны вилочковой железы имеют пептидную природу. К ним относятся:
α,β – тимозины – определяют пролиферацию Т-лимфоцитов;
I, II-тимопоэтины – усиливают созревание Т-лимфоцитов, блокируют нервно - мышечную возбудимость;
тимусный гуморальный фактор – способствует дифференцировке Т-лимфоцитов на киллеры, хелперы, супрессоры;
лимфоцитостимулирующий гормон – усиливает образование антител;
тимусный гомеостатический гормон – является синергистом соматотропина и антагонистом кортикотропина и гонадотропина, и поэтому тормозит преждевременное половое созревание.
При гипофункции тимуса развиваются иммунодефицитные состояния. При гиперфункции возникают аутоиммунные заболевания.

10.4.2. Гормоны- производные аминокислот

10.4.2.1. Гормоны щитовидной железы
В щитовидной железе синтезируются тиреоидные гормоны трийодтиронин (Т3), тироксин (Т4) и пептидный гормон кальцитонин.
Синтез тиреоидных гормонов проходит несколько стадий:
поглощение щитовидной железой йода за счет йодного насоса;
окисление иодидов в молекулярную форму при участии фермента йодидпероксидазы 2I- + 2Н*+Н2О2→I2.;
органификация йода – т.е. включение йода в состав аминокислоты тирозина, находящейся в тиреоглобулине щитовидной железы. (сначала образуется монойодтиронин, а затем дийодтиронин);
конденсация двух молекул дийодтиронина;
гидролиз Т4 из тиреоглобулина.
Тиреоидные гормоны влияют на энергетический обмен, повышают потребление кислорода, синтез АТФ, для многочисленных биосинтетических процессов, для работы Na-К-насоса. В целом они активируют процессы пролиферации, дифференцировки, активируют гемопоэз, остеогенез. Их действие на углеводный обмен проявляется в развитии гипергликемии. Тиреоидные гормоны влияют на липидный обмен, активируя липолиз, β - окисление жирных кислот. Действие их на азотистый обмен состоит в активировании синтеза белков, ферментов, нуклеиновых кислот.


Гипофункция тиреоидных гормонов в детском возрасте приводит к развитию кретинизма, симптомами которого являются низкий рост, умственная отсталость. У взрослых людей гипофункция тиреоидных гормонов сопровождается микседемой – слизистым отёком, нарушением обмена гликозаминогликанов соединительной ткани и задержкой воды. При недостатке тиреоидных гормонов нарушаются энергетические процессы, развивается мышечная слабость, гипотермия. Эндемический зоб возникает при дефиците йода, отмечается разрастание железы и, как правило, гипофункция.
Гиперфункция проявляется как тиреотоксикоз (базедова болезнь), симптомами которого являются истощение организма, гипертермия, гипергликемия, поражение сердечной мышцы, неврологическая симптоматика, пучеглазие (экзофтальм)
Аутоиммунный тиреоидит связан с образованием антител к рецепторам тиреоидных гормонов, компенсаторным увеличением синтеза гормонов щитовидной железой.

10.4.2.2. Гормоны мозгового слоя надпочечников (катехоламины)
К гормонам мозгового слоя надпочечников относятся адреналин, норадреналин – производные аминокислоты тирозина.
Адреналин влияет на углеводный обмен, вызывает гипергликемию, усиливая как в печени так и в мышцах распад гликогена до глюкозы. Адреналин влияет на жировой обмен, активирует липолиз, повышает концентрацию в крови свободных жирных кислот. Адреналин усиливает катаболизм белков. Адреналин оказывает влияние на многие физиологические процессы: обладает вазотоническим (сосудосуживающим), кардиотоническим эффектом является гормоном стресса.
Норадреналин – в большей степени проявляет нейромедиаторный эффект.
Гиперпродукция катехоламинов наблюдается при феохромоцитоме (опухоль хромаффинных клеток)

10.4.2.3. Гормоны эпифиза
Эпифиз продуцирует гормоны мелатонин, адреногломерулотропин, эпиталамин.
Мелатонин по химической природе является производным триптофана. Мелатонин регулирует синтез тканевых пигментов (меланинов), оказывает осветляющий эффект в ночное время суток и является антагонистом меланотропина гипофиза. Мелатонин влияет на дифференцировку клеток, оказывает противоопухолевое действие, стимулирует иммунные процессы, препятствует преждевременному половому созреванию. Вместе с эпиталамином (пептид) определяет биологические ритмы организма: выработку гонадотропных гормонов, суточные ритмы, сезонные ритмы.
Адреногломерулотропин (производное триптофана) активирует в надпочечниках выработку минералокортикоидов и, таким образом, регулирует водно-минеральный обмен.

10.4.3. Стероидные гормоны

10.4.3.1. Гормоны коры надпочечников
Гормоны коры надпочечников: глюкокортикоиды, минералокортикоиды, предшественники мужских половых гормонов относятся к стероидным гормонам, являющими производными спирта холестерина.
Глюкокортикоиды
Кортикостерон, кортизон и гидрокортизон (кортизол) влияют на все виды обмена. Влияя на углеводный обмен, вызывают гипергликемию, активируют глюконеогенез. Глюкокортикоиды регулируют липидный обмен, усиливая липолиз на конечностях, активируя липогенез на лице и груди (появляется лунообразное лицо). Влияя на белковый обмен, глюкокортикоиды активирует распад белков в большинстве тканей, но усиливают синтез белков в печени. Глюкокортиоиды оказывает выраженное противовоспалительное действие, ингибируя фософолипазу А2 и, вследствие этого, угнетая синтез эйкозаноидов. Глюкокортикоиды обеспечивают стресс-реакцию, а в больших дозах подавляют иммунные процессы.
Гиперфункция глюкокортикостероидов может быть гипофизарного происхождения или проявлением избыточной выработки гормонов коркового слоя надпочечников. Она проявляется заболеванием Иценко-Кушинга. Гипофункция коркового слоя носит название – болезнь Аддисона (бронзовая болезнь), проявляется сниженной сопротивляемостью организма, нередко гипертензией, гиперпигментацией кожи.
Минералокортикоиды
Дезоксикортикостерон, альдостерон регулируют водно-солевой обмен, способствуют задержке натрия и выведению через почки калия и протонов.
При гиперфункции наблюдается гипертензия, происходит задержка воды, повышение нагрузки на сердечную мышцу, снижение уровня калия, развивается аритмия, алкалоз. Гипофункция ведёт к гипотонии, сгущению крови, нарушению работы почек, ацидозу.
Предшественники андрогенов
Предшественником андрогенов является дегидроэпиандростерон (ДЭПС). При его гиперпродукции возникает вирилизм, при котором у женщин формируется волосяной покров по мужскому типу. В тяжелой форме развивается адреногенитальный синдром.
10.4.3.2. Мужские половые гормоны (андрогены)



К андрогенам относятся андростерон, тестостерон, дигидротестостерон. Они влияют на все виды обмена, синтез белков, жиров, остеогенез, обмен фосфолипидов, определяют половую дифференцировку, поведенческие реакции, стимулируют развитие ЦНС. Гипофункция проявляется астеничной конституцией, инфантилизмом, нарушением формирования вторичных половых признаков.

10.4.3.3. Женские половые гормоны (эстрогены)
Эстрогенами являются эстрон, эстрадиол, эстриол. Они синтезируются фолликулами яичников из андрогенов путём ароматизации первого кольца. Эстрогены регулируют овариально-менструальный цикл, протекание беременности, лактации. Они активируют анаболические процессы (синтез белков, фосфолипидов, остеогенез), проявляют гипохолестеринемическое действие. Гипофункция ведёт к аменорее, остеопорозу.




Гормоны жёлтого тела (прогестины)
Основным гормоном жёлтого тела является прогестерон. Он синтезируется из холестерина в жёлтом теле, а также в надпочечниках, семенниках. Прогестерон способствует сохранению беременности на её ранних сроках. Он усиливает развитие молочных желез, расслабляет мускулатуру матки.

10.5. Гормоны плаценты
В эмбриональном периоде плацента играет роль эндокринной железы. К гормонам плаценты относятся, в частности, хорионический соматотропин, хорионический гонадотропин, эстрогены, прогестерон, релаксин.
Обмен стероидных гормонов в эмбриональном периоде происходит в единой системе мать-плацента-плод. Холестерин из организма матери поступает в плаценту, где преобразуется в прегненолон (предшественник стероидных гормонов). У плода прегненолон трансформируется в андрогены, которые поступают в плаценту. В плаценте из андрогенов синтезируются эстрогены, которые поступают в организм беременной женщины. Экскреция ею эстрогенов используется для оценки протекания беременности.

10.7. Особенности гормонального статуса у детей
Сразу после рождения активируется функция гипофиза, коры надпочечников для обеспечения стрессовой реакции. Активация функции щитовидной железы и мозгового слоя надпочечников направлены на усиление липолиза, распад гликогена и на согревание организма. В этот период наблюдается некоторая гипофункция паращитовидной железы, гипокальциемия.
В первое время после рождения ребёнок получает некоторые гормоны в составе грудного молока. В первые дни после рождения может развиваться половой криз, связанный с отсутствием эффекта половых гормонов матери. Он проявляется нагрубанием молочных желез, появлением жировых точек, гнойничков, отёком половых органов.
В дошкольном возрасте активируется щитовидная, вилочковая железа, эпифиз, гипофиз.
К периоду полового созревания эпифиз и тимус подвергаются инволюции, заметно активируется выработка гонадотропных и половых гормонов.

11. БИОХИМИЯ КРОВИ
Кровь – жидкая ткань организма, которая выполняет транспортную, дыхательную, защитную, терморегуляторную, коммуникативную, гуморальную функции.
Общий объем крови у взрослого человека составляет 4 – 5,5 литра или 60 мл/кг, или 8% от массы тела. У новорожденных относительный объём крови выше, чем у взрослых. У новорожденных он равен 147 мл/кг, в возрасте 1 год - 110 мл/кг. Кровь состоит из форменных элементов и плазмы. Vформ/Vкрови = гематокрит – важный показатель, характеризующий сепень сгущения крови и оказывающий сильное влияние на её вязкость. У взрослых он составляет около 45%, у новорожденных повышен до 60-67%, а к 1-у году снижается до 39%.

11.1. Биохимия эритроцитов.
Эритроциты на 60-70% состоят из воды, 30-40% приходится на сухой остаток, который представлен белками, азотсодержащими небелковыми веществами, углеводами, липидами, минеральными веществами.

Химический состав эритроцитов.
Основным белком эритроцитов является гемоглобин. На него приходится 90% всех белков эритроцитов. У взрослого содержание гемоглобина находится в интервале 120-140 г/л, новорожденного его уровень повышен до 190 г/л.
Гемоглобин по своей химической природе относится к гемопротеидам, состоит из простетической группы гема и белка глобина. Гем - тетрапирольное железосодержащее органическое вещество. Гем соединяется с глобином гидрофобными связями и координационной связью с железом. Гемоглобин является олигомерным белком, включает в свой состав 4 гема и 4 полипептидные цепи. В зависимости от вида полипептидных цепей различают физиологические и аномальные формы гемоглобина:



Физиологические формы гемоглобина
Hb А1 включает 2α-цепи и 2β-цепи, составляет у взрослого до 98% всего гемоглобина; HbА1с – гликозилированный гемоглобин. У здоровых людей его содержание не превышает 6,5%, при сахарном диабете увеличивается.
HbА2 – включает 2α-цепи и 2-дельта цепи. Его содержание у взрослых людей составляет 2-3% (минорная форма гемоглобина), у новорожденного - до 30-40%
HbF – включает 2α-цепи и 2γ -цепи. У взрослых людей эта форма гемоглобина в норме отсутствует, у новорожденных составляет 60-70%
Аномальные формы гемоглобина появляются при гемоглобинозах, среди которых выделяют гемоглобинопатии и талассемии.
При гемоглобинопатиях нарушается первичная структура α- цепей или β- цепей. Например, в HbS, выявляемый при серповидноклеточная анемия в 6 положении β цепи глютамат заменяется на валин, вследствие чего нарушается структура и функция гемоглобина, эритроциты приобретают серповидую форму. В HbC в 6 положении β цепей происходит замена глютамат на лизин.
При талассемиях происходят нарушения в сочетании полипептидных цепей гемоглобина, увеличивается доля минорного гемоглобина А2.
Гемоглобин типа Бартс содержит четыре гамма цепи.
Кроме гемоглобина в эритроцитах присутствуют другие белки, к которым относят:
факторы групповой специфичности;
резус фактор (гликопротеид);
мембранные белки (гликофорин, спектрин);
ферменты (ферменты гликолиза, пентозофосфатного пути, карбоангидраза, метгемоглобинредуктаза, К, Na-АТФаза);
антиоксидантные ферменты: супероксиддисмутаза, каталаза, глютатион-пероксидаза;
Небелковые азотсодержащие вещества эритроцитов представлены АТФ, нуклеотидами, трипептидом глютатионом.
К безазотистым органическим веществам эритроцитов относятся углеводы (глюкоза, продукты её обмена), все классы липидов
Минеральные компоненты эритроцитов представлены калием - 120-130 моль/л; натрием - 30-35 ммоль/л; железом – 19 мкмоль/л.

Особенности метаболизма в эритроцитах
Основным энергетическим процессом в эритроцитах является гликолиз. В эритроцитах активен пентозофосфатный путь, который обеспечивает эритроциты НАДФН2, необходимым для восстановления глютатиона и поддержания резистентности эритроцитов.

11.2. Обмен гемопротеидов
Помимо гемоглобина к гемопротеидам относятся миоглобин, цитохромы, ферменты каталаза, монооксигеназы.

11.2.1. Синтез гема и его нарушения
Синтез гема происходит в ретикулоцитах, эритробластах, в печени, костном мозге, селезенке, тимусе. Исходными веществами для синтеза гема являются активная форма янтарной кислоты (сукцинил КоА - из цикла Кребса) и аминокислота глицин. Промежуточные соединения процесса синтеза гема представлены аминолевулиновой кислотой (АЛК), порфобилиногеном, уропорфириногеном, копропорфириногеном, протопорфирином. При соединении 2 –х молекул АЛК образуется порфириновое кольцо порфобилиногена. Затем происходят изменения боковых радикалов до появления 4-х метильных, 2-х винильных и 2-х остатков пропионовой кислоты.
Нарушения синтеза гема проявляются в виде порфирий. При порфириях либо искажается синтез гема, либо блокируется на каком - то этапе синтез гема. Выделяют печеночные и эритропоэтические порфирии. Например, при анемии Гюнтера синтезируется аномальный изомер уропорфириногена, что сопровождается развитием анемии, фотодерматитов, выделением мочи оранжевого цвета (из-за большого количества порфиринов в ней), появлением коричневого оттенка эмали зубов.

Схема синтеза гема




11.2.2. Переваривание и распад гемоглобина в тканях
Распад гемоглобина осуществляется в процессе переваривания гемопротеидов в желудочно–кишечном тракте и в тканях при распаде эритроцитов.
В желудке в процессе переваривания под действием пепсина отщепляется глобин, к гему присоединяется HCl с образованием солянокислого гематина коричневого цвета. Поэтому при желудочных кровотечениях содержимое желудка приобретает шоколадный оттенок. В кишечнике отщепляется соляная кислота, и постепенно формируются пигменты дегтярно-черного цвета. Поэтому при кишечных кровотечениях стул имеет чёрный цвет.
Распад гемоглобина в тканях происходит при распаде эритроцитов (у взрослых через 120 дней, у детей около 80 дней) в лимфоидных клетках, костном мозге, селезенке, печени. Освободившийся гемоглобин при распаде эритроцитов соединяется с белком гаптоглобином и транспортируется в клетки РЭС (ретикуло-эндотелиальная - система), где происходит распад гемоглобина.
На первом этапе под действием гемоксигеназы происходит разрыв одного метинового мостика. Тетрапиррольная структура гемоглобина разворачивается и образуется вердоглобин. Вердоглобин расщепляется на глобин, железо и биливердин (пигмент зелёного цвета). Затем биливердин восстанавливается в билирубин (оранжево-желтый пигмент). Билирубин плохо растворим в воде и очень токсичен. Для транспорта гидрофобного билирубина в печень происходит его адсорбция на белках плазмы крови, вследствие чего повышается гидрофильность билирубина. Данная форма билирубина называется свободный билирубин (неконъюгированный), так как химически он с белками не связан или непрямой билирубин, так как он даёт цветную реакцию не сразу, а после осаждения белков.
Непрямой билирубин поступает в печень, захватывается гепатоцитами и обезвреживается путём присоединения к нему глюкуроновой кислоты с образованием сначала моноглюкуронида, а затем диглюкуронида билирубина. Эта форма билирубина также имеет 2 названия: связанный билирубин, так как он химически связан с глюкуроновой кислотой или прямой билирубин, так как сразу даёт качественную цветную реакцию. Далее прямой билирубин с затратой энергии АТФ экскретируется в жёлчь, и в составе жёлчи поступает в тонкий кишечник.

Схема распада гемоглобина в тканях



В кишечнике под действием микрофлоры отщепляется глюкуроновая кислота и образуется новый пигмент мезобилиноген (уробилиноген). Часть его по vena porta поступает в печень, где в норме он разрушается до дипирролов и трипирролов и выводится с жёлчью. Другая часть мезобилиногена в кишечнике переходит в стеркобилиноген. Основная часть стеркобилиногена (около 300 мг) выводится через кишечник в виде стеркобилиногена (коричневый пигмент). Другая часть его по системе геморроидальных вен попадает в кровь и выводится через почки в составе мочи (около 4 мг).

11.2.3. Нарушения распада гемоглобина
Концентрация билирубина в крови не высока, составляет 2(8)-20 мкмоль/л Повышение уровня билирубина в крови - гипербилирубинемия клинически проявляется в виде желтухи. Непрямой билирубин нейротоксичен. Прямой билирубин водорастворим и может выводиться с мочой.
По месту нарушения пигментного обмена различают гемолитические желтухи (надпечёночные), паренхиматозные (печёночные), механические (подпечёночные). По характеру повышения фракций билирубина выделяют конъюгированные, неконъюгированные и смешанные желтухи.
Неконъюгированные (гемолитические) желтухи развиваются при усиленном гемолизе эритроцитов. В крови отмечается повышенное содержание непрямого билирубина. Содержимое кишечника пигментировано, поскольку в печени повышено образование стеркобилиногена. В моче также повышено содержание стертобилина и уробилина, она имеет тёмный цвет. Разновидностью неконьюгированных желтух является болезнь Жильберта, при которой снижено поступление и захват билирубина гепатоцитами.
Смешанные (паренхиматозные) желтухи развиваются при поражении печени. При данном виде желтухи в крови повышен и непрямой билирубин, так как печень не может его обезвредить, и прямой билирубин, так как затруднено его выведение в жёлчь. Моча пигментирована, в ней присутствуют билирубин и уробилин. Содержимое кишечника более светлое, так как снижено образование и выведение стеркобилина. Разновидностью смешанной желтухи является желтуха Криглера-Найяра, при которой в печени снижена активность фермента глюкурнилтрансферазы.
Механические (конъюгированные) желтухи развиваются при нарушениях оттока жёлчи (опухоль, камень). В крови на первых этапах заболевания повышено содержание прямого билирубина. Моча пигментирована за счёт присутствия билирубина, а содержимое кишечника светлое (ахоличное). Разновидностью коньюгированной желтухи является желтуха Дубина – Джонсона, при которой затруднено выведение прямого билирубина в жёлчь.
При желтухе новорожденных концентрация билирубина может повышаться до 40 мкмоль/литр и выше. Причинами неонатальной желтухи являются усиленный гемолиз эритроцитов, сниженный захват билирубина гепатоцитами, снижение активности глюкуранилтрансферазы, снижение экскреции прямого билирубина в жёлчь, стерильность кишечника.

11.3. Химический состав плазмы крови

11.3.1. Белки плазмы крови
Белки являются основными компонентами плазмы крови.
Общее содержание белков плазмы крови у взрослых составляет 60-80 г/л. Концентрация белков в плазме крови у новорожденных равняется 56 г/л, повышаясь у годовалых детей до 65 г/л.
Белки плазмы крови выполняют ряд важных функций:
определяют физико-химические константы крови (вязкость, рН, онкотическое давление);
транспортная функция – перенос водонерастворимых веществ, ионов металлов;
защитная функция – входят в состав антител;
участвуют в свёртывании крови – гемокоагуляция;
регуляторная функция – в плазме присутствуют белковые гормоны, ферменты;
представляют резерв аминокислот и связанных с ними металлов;
Методом высаливания белки плазмы крови делятся на 3 фракции: альбумины - 30-50 г/л, глобулины- 20-30 г/л, фибриноген - 2-4 г/л.
Методом электрофореза на бумаге все белки плазмы крови делятся на 5 фракций: альбумины и α1, α2, β, γ – глобулины.
На альбумины приходится 60% всех белков плазмы крови. Альбумины имеют молекулярную массу меньше 100 тысяч д., богаты полярными гидрофильными аминокислотами, электрофоретически подвижны. Альбумины растворяются в дистиллированной воде, высаливаются 100% раствором (NH4)2SO4. Альбумины, синтезируются в печени, выполняют транспортную функцию, определяют физико-химические свойства крови.
Глобулины составляют 40% всех белков плазмы крови. Глобулины – гетерогенная фракция белков. Содержание α1-глобулинов равняется 4%, α2 - глобулинов - 8%, β- глобулинов -12%, γ- глобулинов - 16%. Молекулярная масса глобулинов около 200 тысяч д. Они менее гидрофильны, растворяются в 10% растворах солей, осаждаются 50% (NH4)2SO4. Глобулины синтезируется в печени, лимфоцитах, макрофагах. К основным функциям глобулинов относятся транспортная, защитная функции.
В составе глобулиновой фракции выделяют отдельные белки.
Белки α1 - глобулиновой фракции
Протромбин - белок свёртывающей системы крови;
α1- гликопротеид – переносит некоторые стероидные гормоны;
α1 – антитрипсин – ингибитор трипсина;
Орозомукоид – гликопротеид, ингибитор протеаз, обладает иммуномодуляторным действием.
Белки α2-фракции глобулинов
Гаптоглобин – переносит гемоглобин;
α2- макроглобулин – обладает антипротеазной активностью, является ингибитором свёртывающей и фибринолитической системы крови, ингибитор синтеза кининов;
С-реактивный белок даёт реакцию преципитации с пневмококком, обладает антипротеазной активностью;
Церулоплазмин – переносит медь, обладает ферментативной оксидазной активностью.
Белки β - фракции глобулинов
С реактивный белок – белок, участвующий в воспалительной реакции;
Трансферрин – переносит железо, входит в антиоксидантную систему крови;
Гемопексин – переносит гемм, порфирины, гемоглобин;
Фибриноген – фактор свёртываемости крови.
Белки γ- фракции глобулинов представлены антителами или иммуноглобулинами (Ig) 3-х основных видов: G, А, М и минорными: Д, Е. У новорожденных представлены все виды иммуноглобулинов, но содержание их ниже, чем у взрослых людей. В этот период основным является IgG, который проходит плацентарный барьер и попадает в плод из организма матери. К возрасту одного года содержание IgG становится равным его содержанию у взрослых, к двум годам концентрация IgА достигает уровня взрослых людей.
Все иммуноглобулины имеют вилкообразную структуру. В их составе представлены две тяжелых Н цепи (500-60 аминокислот) и две легких L цепи (до 200 аминокислот), цепи соединяются дисульфидными связями. Вторичная структура Н и L цепей имеет β - складчатую укладку, цепи параллельны, в их составе выделяют доменные участки. В составе цепей есть постоянные участки и вариабельные участки, за счёт которых и происходит взаимодействие Ig с большим количеством антигенов. В IgА содержатся 3 вилки, в IgМ – 5 вилок.
В плазме крови в небольшой концентрации присутствуют белки интерфероны (ИФ) различных видов:
α – (ИФА) синтезируются в лимфоцитах и макрофагах
β – (ИФБ) синтезируются в фибробластах
γ – (ИФГ) синтезируются в различных тканях и в Т-лимфоцитах
Интерфероны обладают антипролиферативным действием, стимулируют дифференцировку клеток, оказывают противоопухолевое действие, активируют иммунные процессы. Концентрация интерферонов возрастает при вирусных заболеваниях. Интерфероны обладают антивирусной активностью, которая связана с активацией иммунитета, угнетением РНК - полимеразы, активацией РНК - азы.
Ферменты плазмы крови делятся на 3 группы.
Секреторные ферменты синтезируются в печени и секретируются в кровь. Их примерами являются холинэстераза, факторы свёртывания крови. В норме активность ферментов данной группы выше, чем при заболеваниях.
Экскреторные ферменты синтезируются в печени, экскретируются в жёлчь (щелочная фосфатаза). При заболеваниях активность экскреторных ферментов увеличивается.
Индикаторные ферменты в норме практически отсутствует в плазме крови, при заболеваниях их активность возрастает.

11.3.1.1. Изменение белкового состава крови при заболеваниях
Гипопротеинемия - снижение общего содержания белков в плазме крови. Она может встречаться при белковом голодании, заболеваниях желудочно–кишечного тракта, печени, почек.
Диспротеинемия - изменение соотношения отдельных фракций белков (в норме альбумин-глобулиновый коэффициент равен 1,5:1,9). В острой стадии воспалительных заболеваний в плазме увеличивается содержание глобулинов α и β фракций. К белкам острой стадии воспаления относятся, в частности, гаптоглобин, орозомукоид, с– реактивный белок. Считается, что белки острой фазы воспаления оказывают защитное действие на ткани, угнетают агрессивные протеолитические ферменты тканей. При хронических заболеваниях в плазме увеличивается содержание иммуноглобулинов.
Парапротеинемия - появление в плазме патологических белков, таких как криоглобулины (осаждаются при температуре ниже 37 о), пироглобулинов (осаждается при 60-80о С), фетопротеин (эмбриональный белок).

11.3.2. Небелковые азотсодержащие вещества крови
Сумма низкомолекулярных азотистых веществ, остающихся в крови после осаждения белков, называется остаточным азотом (RN). В норме он составляет 15-25 ммоль/л. 50% остаточного азота составляет мочевина, концентрация которой равняется 3,3-8 ммоль/л, 25% остаточного азота приходится на аминокислоты. В состав остаточного азота крови входят также пептиды, мочевая кислота (0,2-0,4 ммоль/л), аммиак (20-80 мкмоль/л), билирубин (2-8,20 мкмоль/л), креатинин (60-130 мкмоль/л).
Большинство компонентов остаточного азота являются конечными продуктами азотистого обмена, которые выводятся через почки. В связи с этим при патологии почек содержание RN резко увеличивается, развивается симптом ретенционной азотемии. Продукционная азотемия встречается при увеличенном распаде белков, онкологических заболеваниях.
Одной из фракций остаточного азота являются кинины.

11.3.2.1. Кининовая система крови.
Кинины представлены пептидом брадикинином (9 аминокислотных остатков), каллидином (10 остатков аминокислот) и лизил-метионил-брадикинином (содержит 11 аминокислот).
Биологическое действие кининов моногообразно. Они регулируют гемодинамику, увеличивают работу сердца, расширяют сосуды, вызывают спазм гладкой мускулатуры бронхов, матки, являются медиаторами воспаления, участвуют в регуляции свёртывающей и антисвёртывающей системы крови, обладают иммуномодуляторным действием.
Кинины синтезируются из неактивных белков предшественников - кининогенов. В синтезе кининов участвуют протеолитические ферменты каликренины. Калликренины, в свою очередь, образуются из неактивных каликрииногенов (прекалликреиногенов), при участии трипсина, плазмина крови. Распад кининов до аминокислот осуществляется ферментами кининаазами.

11.3.3. Безазотистые органические вещества крови
К безазотистым органическим веществам крови относятся углеводы и липиды. Глюкоза содержится в крови в концентрации 3,3-5,5 ммоль/л. В крови присутствуют различные метаболиты углеводного обмена (пируват, лактат, и другие). Содержание сиаловых кислот составляет 2,2-2,6 ммоль/л. Общее содержание липидов у взрослых людей находится в интервале 4-8 г/л. Концентрация триацилглицеринов составляет 1,5-2,5 ммоль/л, фосфолипидов - 2,5-3,5 ммоль/л, холестерина - 3,5-5,2 ммоль/л, свободных жирных кислот - 0,4-0,8 ммоль/л. У детей содержание всех видов жиров, кроме свободных жирных кислот, ниже, чем у взрослых.

11.3.4. Минеральные вещества крови
Основным минеральными компонентами плазмы крови являются натрий, концентрация которого составляет(130 ммоль/л) и хлориды (98-107 ммоль/л). Значительно ниже уровень калия (4-5 ммоль/л) и железа (19 мколь/л).

11.4. Физико-химические свойства крови.
Плотность крови равняется 1,050-1,060 г/см3, зависит от суммы растворённых в крови веществ. Плотность крови определяется прибором ареометром.
Вязкость крови равна 5-6 единиц относительно вязкости дистиллированной воды, определяется вискозиметрическим методом (оценивается вязкость по скорости перемещения жидкости).
Осмотическое давление крови составляет 7,8-8,1 атмосферы. Для определения осмотического давления используют криоскопический метод, основанный на сравнении температуры замерзания плазмы крови и воды. Осмотическое давление учитывается при внутривенном введении жидкости. Жидкости с осмотичеким давлением, равным осмотическому давлению крови, называются изотоничными (0,9% NaCl, 5% глюкоза). Их можно вводить в кровь в достаточно большом объёме. Жидкости с более высоким осмотическим давлением – гипертонические растворы (40% глюкоза). Введение этих жидкостей допустимо в небольших объёмах, т.к. они вызывают обратимое сморщивание эритроцитов. Растворы с более низким давлением – гипотонические (дистиллированная вода). Введение гипотонических растворов недопустимо, поскольку они вызывают набухание и разрыв эритроцитов.
рН крови находится в интервале 7,36-7,44. Отклонение рН от физиологических значений инактивирует ферменты, поэтому величина рН поддерживается на постоянном уровне физиологическими регуляторами рН (лёгкие, почки, желудочно–кишечный тракт, потовые железы) и физико-химическими регуляторами (буферные системы крови).
Буферные системы включают акцептор протонов (чаще соль) и донор протонов (чаще кислота). Величина рН, которую создает буферная система, рассчитывается по формуле: рН= рК + lg ([акц]/[дон]). В крови человека присутствует четыре буферные системы:
бикарбонатная система, состоящая из Н2СО3/NаНСО3;
гемоглобин – оксигемоглобиновая система, состоящая из ННв/ННвО2;
белковая система, включающая белок - NН2 / белок - СООН;
фосфатная система представлена NаН2РО4/Nа2НРО4.
Буферная емкость крови достаточно высока. Для сдвига рН на 0,1 единицы необходимо добавить 4,5 мл 0,1n NаОН.
Бикарбонатная буферная система представлена Н2СО3, и NаНСО3.. Так как угольная кислота слабая, то оценивается концентрация СО2. Угольная кислота является донором протонов: Н2СО3→Н+ + НСО3- - противодействует защелачиванию. Акцептором протонов является соль: НСО3-- + Н+→ Н2СО3.
рН=рК + lg ([НСО3-]/0,03 [Н2СО3]). В физиологических условиях поддерживается соотношение НСО-3/ Н2СО3= 20/1.
Гемоглобин - оксигемоглобиновая буферная система включает ННв и ННвО2. Донором протонов является ННвО2 . В лёгких происходит уменьшение концентрации угольной кислоты, что могло бы сопровождаться защелачиванием. Но ННвО2 диссоциирует на протон Н+ и анион НвО2- и препятствует сдвигу рН. Акцептром протонов является ННв. В тканях увеличивается содержание углекислоты, что могло бы вести к закислению, но происходит связывание протонов по реакции: Н+ + НвО2-→ ННвО2→ ННв + О2 , что противодействует закислению.
В сумме на бикарбонатную и гемоглобин – оксигемоглобиновую системы приходится до 80% буферной ёмкости крови. Обе они функционируют вместе с лёгкими.
Белковая буферная система обусловлена амфотерными свойствами белков. Акцептором протонов являются аминогруппы белков: белок-NН2 + Н+ → белок NН3 + (противодействие закислению). Донором протонов служат карбоксильные группы белков: белок - СООН → СОО - + Н+ (противодействие защелачиванию). На долю белкового буфера приходится до 18% всей буферной емкости крови.
Фосфатная буферная система представлена фосфатами НРО42- / Н2РО4-. Однозамещённый фосфат является акцептором протонов: НРО42— + Н+→ Н2РО4-(противодействие закислению). Донором протонов служит двузамещённый фосфат: Н2РО4-→ НРО42- + Н+ (противодействие защелачиванию).
рН= рК + lg ([НРО42-] / [ Н2РО4-]). Физиологические значение рН система поддерживает при соотношении Nа2НРО4 / NаНРО4 = 4:1. На долю фосфатной буферной системы приходится около 4-5% буферной ёмкости крови. Она функционирует в основном с почками.


11.4.1. Нарушения кислотно-основного баланса
Изменения кислотно–основного баланса могут быть двух видов: ацидозы – закисление среды и алкалозы – защелачивание среды. По степени выраженности ацидозы и алкалозы делят на 3 группы:
компенсированные (сдвиг рН = 7,40 0,05);
субкомпенсированные (сдвиг рН = 7,40 0,15);
декомпенсированные (сдвиг рН = 7,40 0,25).
По механизму развития выделяют следующие виды ацидозов и алкалозов:
дыхательные (респираторные);
метаболические;
смешанные.
Для диагностики различных видов ацидозов и алкалозов применяют аппаратные методы измерения величины рН при разной концентрации СО2 в крови. По специальным графикам-номограммам определяют несколько показателей кислотно-основного состояния.
Бикарбонаты крови
а) АВ - истинные (актуальные) бикарбонаты, содержащиеся в данных условиях;
б) SB - стандартные бикарбонаты), те же бикарбонаты, но рассчитанные на стандартные условия: рСО2 = 40 мм рт. ст., ННвО2 = 100%, t = 380. Содержание SB равно 29-28 ммоль/л.
Буферные основания - сумма всех буферных компонентов: бикарбонаты + белок + гемоглобин + фосфаты.
а) ВВ - реальные буферные основания, содержащиеся в физиологических условиях;
б) NВВ - нормализованные буферные основания, рассчитанные на стандартные условия. Их концентрация равна 32-65 ммоль/л.
ВЕ - избыток или дефицит буферных оснований - разница между буферными основаниями (ВЕ = ВВ – NВВ). В норме ВЕ равна 2,3 ммоль/л. ВЕ – важный показатель, позволяющий быстро принять меры для нормализации рН.
Дыхательные ацидозы возникают при задержке СО2 при заболеваниях лёгких (пневмония, пневмосклероз). Развивается сдвиг рН крови в кислую сторону в силу накопления угольной кислоты. Повышение парциального давления СО2 сопровождается увеличением концентрации бикарбонатов и увеличением АВ. Это, в свою очередь, приводит к незначительному возрастанию ВЕ.
Метаболические ацидозы возникают при накоплении в тканях кислых компонентов (молочная кислота, кетоновые тела), при задержке протонов в организме при заболеваниях почек. рН крови смещается в кислую сторону. Использование бикарбонатов для нейтрализации кислот ведёт к уменьшению АВ и, соответственно, к снижению парциального давления рСО2. Уменьшение содержания бикарбонатов сопровождается значительным снижением величины ВЕ.
Респираторные алкалозы наблюдаются при учащении дыхания и уменьшении содержания углекислоты. Реакция крови смещается в щелочную сторону. Дефицит углекислоты сопровождается снижением уровня АВ и, как следствие, уменьшением ВЕ.
Метаболические алкалозы возникают при потере кислот из организма. Например, при потере НСl при рвоте, избыточном выведении протонов через почки (при гиперальдерстеронизме) или при введении в организм щелочных компонентов. Реакция крови смещается в щелочную сторону. Накопление бикарбонатов крови сопровождается повышением концентрации СО2 и значительным избытком ВЕ.

11.4.2. Особенности кислотно-основного состояния у детей.
У новорожденных выявляется более кислая реакция крови (рН может снижаться до 7,2), что связанно с высокой концентрацией лактата в крови.
У новорожденных снижено р СО2, т.к. выше частота дыхания.
У детей имеют место дефицит ВЕ (отрицательные значения ВЕ), т.к. повышено образование лактата и снижена способность почек к выведению протонов.
У детей первых лет жизни выражена склонность к ацидозу.

11.5. Дыхательная функция крови

11.5.1. Транспорт кислорода и его нарушения
Перенос кислорода от лёгких к тканям кровью осуществляется в 2 формах:
в растворённом состоянии,
в виде оксигемоглобина.
Растворенный в плазме кислород составляет около 1,5% от всего переносимого кровью кислорода или 0,03 мл/100 мл крови. Невысокое содержание данной формы кислорода связано с его ограниченной растворимостью в воде. Величина растворённого в крови кислорода может быть увеличена при использовании гипербарической оксигенации.
В виде оксигемоглобина переносится основная часть кислорода крови. Связывание кислорода с гемоглобином зависит от целого ряда факторов и, прежде всего, от парциального давления кислорода. В артериальной крови оно равно 80 мм рт. ст., в венозной -30-40 мм рт. ст. Соответственно насыщение гемоглобина кислородом в артериальной крови составляет 100%, в венозной крови около 70%.
Кривая насыщения гемоглобина кислородом носит S-образный характер. Это обусловлено кооперативными изменениями конформации протомеров в олигомерном гемоглобине. Соединение кислорода с одним протомером резко повышает чувствительность к кислороду других протомеров. Такой характер кривой обеспечивает способность гемоглобина связывать и отдавать кислород в широком диапазоне его парциального давления. Отдача и поглощение кислорода составляют 30% или 5-6 мл/100 мл крови.

На характер кривой насыщения гемоглобина кислородом влияют:
рН (эффект Бора) - закисление сопровождается присоединением протонов к НвО2- и последующей диссоциацией оксигемоглобина: Н*+ НвО2- → ННвО2→ННв+О2→в ткань (закисление облегчает отдачу кислорода в ткани);
повышение концентрации угольной кислоты – источника протонов вызывает аналогичные сдвиги;
повышение температуры увеличивает диссоциацию оксигемоглобина;
повышение концентрации 2,3-дифосфоглицерата - аллостерического регулятора увеличивает отдачу кислорода оксигемоглобином.
Особенности транспорта кислорода у детей связаны с высоким содержанием фетального гемоглобина (НвF), который более прочно удерживает кислород, что отражает особенности внутриутробного дыхания. Фетальный гемоглобин имеет более короткий срок жизни, он легче окисляется и труднее отдаёт кислород.
Нарушения транспорта кислорода сопровождаются развитием гипоксии (дефицит кислорода в тканях). Различают высотную, альвеолярную (заболевания лёгких), циркуляторную (нарушение кровообращения), тканевую (нарушение тканевого дыхания), гемическую гипоксии. Гемическая гипоксия может носить характер гемолитической (гемолиз эритроцитов), железодефицитной, может также вызываться появлением форм гемоглобина, не способного переносить кислород. К данным формам относится карбоксигемоглобин и метгемоглобин. Карбоксигемоглобин образуется при соединении гемоглобина с угарным газом (СО) в концентрации более 0,1%. Не участвует в транспорте кислорода метгемоглобин-ОН, образующийся при действии сильных окислителей, в частности, нитратов.

11.5.2. Транспорт СО2
Перенос углекислого газа от тканей к лёгким осуществляется кровью в 3-х формах:
в растворённом состоянии (5%);
в виде карбгемоглобина Нв-NН-СООН (15%);
в виде бикарбонатов (80%).
Основной транспортной формой углекислого газа являются бикарбонаты.
В тканях в процессах тканевого дыхания накапливается угольная кислота: СО2+Н2О→Н2СО3.. Затем она связывается с калиевой солью гемоглобина с образованием в эритроцитах бикарбоната калия: Н2СО3 + КНв→КНСО3 + Нв. Образовавшийся бикарбонат КНСО3 транспортируется в лёгкие.
В лёгких происходит образование оксигемоглобина: ННв+О2→ННвО2. Затем происходит взаимодействие оксигемоглобина с бикарбонатами с образованием угольной кислоты: ННвО2 + КНСО3 → Н2СО3. Образовавшаяся угольная кислота распадается с выделением углекислого газа, удаляемого при дыхании: Н2СО3 →Н2О + СО2.

11.6. Регуляция агрегатного состояния крови (РАСК)

11.6.1. Свёртывающая система крови
Свёртывающая система крови - это биологическая протеолитическая система, поддерживающая жидкое состояние крови и препятствующая кровопотере путём образования кровяного сгустка или тромба.
В свёртывании крови выделяют 2 стадии:
сосудисто-тромбоцитарный гемостаз – суживание сосудов, выделение эндотелиальных факторов, адгезия и агрегация тромбоцитов в участке повреждения эндотелия, в результате чего формируется тромбоцитарный тромб (или белый тромб);
гемокоагуляция – образование фибринового сгустка, при участии тромбоцитарных, эритроцитарных и плазменных факторов.

11.6.1.1. Плазменные факторы свёртывающей системы крови
Плазменнные факторы гемокоагуляции классифицированы в 1954 Колером (ХIII факторов). Плазменные факторы чаще всего обозначают римскими цифрами.
Общая характеристика плазменных факторов свёртывающей системы крови.
Все плазменные факторы свёртывающей системы, кроме IV, являются белками, чаще всего гликопротеидами глобулиновой фракции крови.
Плазменные факторы синтезируются в неактивном состоянии.
Активация этих факторов происходит различными механизмами:
а) путём их частичного протеолиза;
б) путём их взаимодействия с кофакторами;
в) путём их взаимодействия с фосфолипидами мембран клеток и ионами кальция, что сопровождается конформационными перестройками.
Большинство белковых факторов являются в активной форме протеолитическими ферментами (протеазами), содержащими в активном центре аминокислоту серин (например, II, VII, IX, X факторы).
Все факторы свёртывания крови синтезируются в печени, для синтеза некоторых факторов (II, VII, IX, X) необходим витамин К.
Все плазменные факторы свёртывающей системы крови помимо римской цифры имеет тривиальное название чаще всего по фамилиям больных, у которых был обнаружен дефицит этих факторов.
Фибриноген – водорастворимый белок.
Протромбин – в активной форме является активным протеолитическим ферментом. Для его синтеза необходим витамин К.
Тканевой тромбопластин представляет собой фрагменты плазматических мембран, имеет большую молекулярную массу, богат липопротеидами, содержит нуклеиновые кислоты.
Ионы кальция (Са2+).
Проакцелерин – кофактор белковой природы.
Акцелерин (V активный).
Проконвертин – в активной форме является ферментом, синтезируется при участии витамина К.
Антигемофилийный глобулин А (АГГА, фактор Вилленбранда) – является кофактором.
Антигемофилийный глобулин В (фактор Кристмаса) – в активной является ферментом, синтезируется при участии витамина К.
Фактор Проуэра-Стюарта – в активной форме является сериновой протеазой, в синтезе которой участвует витамин К. Фактор Стюарта - в активной форме является протеолитическим ферментом.
Фактор Розенталя – в активной форме протеолитический фермент.
Фактор Хагемана – гликопротеид, в активной форме фермент.
Фибринстабилизирующий фактор - фермент трансамидиназа.
Прекалликреин (ф. Флеттчера).
Кининоген (ф. Фитцджеральда).

11.6.1.2. Схема свёртывания крови
Выделяют три главных стадии гемокоагуляции:
образование тромбопластина крови и тромбопластина ткани;
образование тромбина;
образование фибринового сгустка.
Различают 2 механизма гемокоагуляции: внутренний механизм свёртывания (в нём участвуют факторы, находящиеся внутри сосудистого русла) и внешний механизм свёртывания крови (в нём помимо внутрисосудистых факторов участвуют ещё и внешние факторы).

Внутренний механизм свёртывания крови (контактный)
Внутренний механизм гемокоагуляции запускается при повреждении эндотелия сосудов (например, при атеросклерозе, при действии высоких доз катехолав котором присутствует коллаген, фосфолипиды. К изменённому участку эндотелия присоединяется ХII фактор (пусковой фактор). Взаимодействуя с измененным эндотелием, он претерпевает конформационные структурные изменения и становится очень мощным активным протеолитическим ферментом. ХIIа фактор одновременно участвует в свёртывающей системе, антисвёртывающей системе кининовой системе:
активирует свёртывающую систему крови;
активирует противосвёртывающую систему;
активирует агрегацию тромбоцитов;
активирует кининовую систему;
1 стадия внутреннего механизма свёртывания крови – образование полного тромбопластина крови.
ХII фактор, контактируя с поврежденным эндотелием, переходит в ХII активный. ХIIа активирует прекалликреин (ХIY), который активирует кининоген (ХY). Кинины, в свою очередь, повышают активность ХII фактора.
ХII фактор активирует фактор ХI, который затем активирует IХ фактор (ф. Кристмаса). Фактор IХа взаимодействует с фактором YIII и ионами кальция. В результате образуется комплекс, включающий фермент, кофермент, ионы кальция (ф.IХа, ф.YIII, Са2+). Данный комплекс активирует Х фактор при участии тромбоцитарного фактора Р3. В результате образуется активный тромбопластин крови, включающий ф.Ха, ф.Y, Са2+ и Р3.
Р3- представляет собой фрагмент мембран тромбоцитов, содержит липопротеиды, богат фосфолипидами .
2 стадия – образование тромбина.
Активный тромбопластин крови запускает 2 стадию свёртывания крови, активируя переход протромбина в тромбин (ф.II →ф.II а). Тромбин активирует внешний и внутренний механизмы гемокоагуляции, а также антисвёртывающую систему, агрегацию тромбоцитов и высвобождение тромбоцитарных факторов.
Активный тромбин запускает 3 стадию свёртывания крови.
3 стадия заключается в образовании нерастворимого фибрина (I фактор). Под воздействием тромбина растворимый фибриноген последовательно переходит в фибрин- мономер, а затем в нерастворимый фибрин-полимер.
Фибриноген – водорастворимый белок, состоит из 6 полипептидных цепей, включающих 3 домена. Под действием тромбина от фибриногена отщепляются пептиды А и В, и в нём формируются участки агрегации. Фибриновые нити соединяются вначале в линейные цепи, а затем формируются ковалентные межцепочечные сшивки. В их образовании участвует ХIIIа фактор (фибринстабилизирующий), который активируется тромбином. Под действием фактора ХIIIа, являющегося ферментом трансамидиназой, в фибрине в процессе его полимеризации возникают связи между глютаминовой кислотой и лизином.
Фибриновый сгусток подвергается сжатию (ретракции) за счёт энергии АТФ и тромбоцитарного фактора Р8 (ретрактоэнзим).
Механизм свртывания носит каскадный характер, т.е. усиливается от предшествующего этапа к последующему благодаря наличию обратных связей. Так, фактор IIа активирует ХIII фактор, Y фактор, Р3 и YIII фактор.

Внешний механизм свёртывания крови (прокоагулянтный)
1 стадия – образование активного тромбопластина тканей включается при травме, разрыве сосуда и контакте плазмы крови с тканями. Тканевой тромбопластин (фактор III) в плазме крови активирует YII фактор. В результате образуется активный тромбопластин тканей, состоящий из фермента, кофермента и ионов кальция (ф.III ,ф.YII а, Са2+).
2 стадия – образование тромбина происходит в следующей последовательности: тромбопластин тканей активирует Х фактор с образованием комплекса, включающего ф.Ха, ф.Y, Са2+, который активирует тромбин (ф. II→ф.IIа).
3 стадия – образование фибрина осуществляется при воздействии тромбина на фибриноген.

11.6.1.3. Витамин К
Важную роль в свёртывании крови играет витамин К (нафтохинон, антигеморрагический витамин). Суточная потребность в нём составляет 10-20 мкг. Витамин К необходим для синтеза факторов II ,YII, IХ и Х, в которых образуется γ - карбоксиглютаминовая кислота с добавочной карбоксильной группой. В результате данной реакции повышается кальций связывающаяя способность указанных факторов свёртывания крови.


11.6.2. Противосвёртывающая система крови
Противосвёртывающая система уравновешивает активность свёртывающей системы. Она включает компоненты, противодействующие факторам свёртывания крови на каждой стадии гемокоагуляции.

Свёртывающая система
Противосвёртывающая система

Тромбопластин
Антитромбопластины

Тромбин
антитромбины;
тромбин-активатор противосвёртывающей системы.

Фибрин
Фибринолитическая система


Факторы противосвёртывающей системы называются антикоагулянтами.
Антитромбопластины – антикоагулянты, препятствующие образованию тромбопластина. К ним относятся белки, фосфолипиды:
ингибиторы сериновых протеаз (серпины) – гликопротеиды, синтезируются в печени, эндотелии сосудов и блокируют II, YII, IХ Х факторы;
α-2-макроглобулин – обладает антипротеазной активностью, блокирует протеолитические ферменты свёртывающей системы крови;
антиконвертин – ингибирует YII фактор;
специфические антифакторы ХI, ХII факторов.
Тромбиновый компонент антисвёртывающей системы – активный тромбин запускает противосвёртывающий каскадный механизм. Тромбин взаимодействует с особым белком эндотелия сосудов тромбомодулином с образованием комплекса: тромбомодулин, Са2+ , IIа. Этот комплекс активирует протеазу, обозначаемую как протеин С. Протеин С взаимодействует с кофактором - протеином S и ионами кальция. Комплекс, включающий протеин С, протеин S, Са2+ разрушает Y и YIII факторы свёртывания крови.

Антитромбины инактивируют тромбин. Наиболее активным является антитромбин 3 – гликопротеид, синтезирующийся в печени, эндотелии. Антитромбин 3 активируется гепарином, разрушает тромбин, уменьшая активность свёртывающей системы.
Фибринолитическая система подвергает расщеплению (фибринолизу) образовавшийся кровяной сгусток. Основным компонентом фибринолитической системы является фермент плазмин (фибринолизин). Он представляет собой очень активный протеолитический фермент, способный растворять фибриновый сгусток. Плазмин синтезируется из неактивного предшественника плазминогена. В переходе плазминогена в плазмин участвуют активаторы двух видов:
прямые активаторы, к которым относятся:
тканевые активаторы плазминогена (ТАП), синтезирующиеся в эндотелии (особенно активны в плаценте, матке, предстательной железе);
трипсин;
калликреин;
ХIIа фактор;
урокиназа.
проактиваторы, которые переходят в активаторы под действием ферментов
стрептокиназы и лизокиназ.

Для фибринолитической системы существует антифибринолитическая система.

11.6.3. Детские особенности системы гемостаза
К моменту рождения ребёнка в крови имеются все факторы свёртывающей и антисвёртывающей систем. Концентрация некоторых из них (I, Y, YIII , ХIII) равна концентрации взрослых. Некоторые факторы (II, YII, IХ, Х) содержатся в меньшей концентрации. Концентрация плазмина составляет 1/3 от уровня взрослых.

11.6.4. Нарушения гемостаза
Нарушения свёртывания крови наблюдается при тромбоцитопениях, тромфоцитофилиях, тромбоцитопениях. Могут развиваться тромботические состояния, при которых преобладает активность свёртывающей системы. При геморрагических состояниях преобладает активность противосвёртывающей системы крови. Возможны наследственные гемофилии: гемофилия А (дефект YIII фактора), гемофилия В (дефект IХ фактора), гемофилия С (дефект ХI фактора).

12. ВОДНО–МИНЕРАЛЬНЫЙ ОБМЕН

12.1. Водно-солевой обмен
Общее содержание воды в организме взрослого человека составляет 60 – 65% (около 40 л). Наиболее гидратированы головной мозг, почки. Жировая, костная ткань, наоборот, содержат небольшое количество воды.
Вода в организме распределена в разных отделах (компартментах, бассейнах): в клетках, в межклеточном пространстве, внутри сосудов.



Особенностью химического состава внутриклеточной жидкости является высокое содержание калия и белков. Внеклеточная жидкость содержит более высокие концентрации натрия. Значения рН внеклеточной и внутриклеточной жидкости не различаются. В функциональном отношении принято выделять свободную и связанную воду. Связанная вода – та её часть, которая входит в состав гидратных оболочек биополимеров. Количество связанной воды характеризует интенсивность обменных процессов.
Биологическая роль воды в организме.
Транспортная функция, которую вода выполняет как универсальный растворитель;
Определяет диссоциацию солей, будучи диэлектриком;
Участие в различных химических реакциях: гидратация, гидролиз, окислительно - востановительные реакции (например, β - окисление жирных кислот).

Обмен воды.
Общий объём обмениваемой жидкости для взрослого человека равен 3-3,5 литра (50 г /кг массы тела) в сутки. Для взрослого человека характерен водный баланс, т.е. поступление жидкости равно её выведению.
Вода поступает в организм как таковая в виде жидких напитков (около 50% потребляемой жидкости), в составе пищевых продуктов. 500 мл составляет эндогенная вода, образующаяся в результате окислительных процессов в тканях,
Выведение воды из организма происходит через почки (1,5 л – диурез), путём испарения с поверхности кожи, лёгких (около 1 л), через кишечник (около 100 мл).

Факторы движения воды в организме.
Вода в организме постоянно перераспределяется между кровью и тканями Движение воды в организме осуществляется при участии ряда факторов, к которым относятся:
осмотическое давление, создаваемое различной концентрацией солей (вода движется в сторону более высокой концентрации соли);
онкотическое давление, создаваемое перепадом концентрации белков (вода движется в сторону более высокой концентрации белка);
гидростатическое давление, создаваемое работой сердца.
Обмен воды тесно связан с обменом Na и К.

12.1.1. Обмен натрия и калия
Общее содержание натрия в организме составляет 100 г. При этом 50% приходится на внеклеточный натрий, 45% - на натрий, содержащийся в костях, 5% - на внутриклеточный натрий. Содержание натрия в плазме крови равно 130-150 ммоль/л, в клетках крови - 4-10 ммоль/л. Потребность в натрии для взрослого человека составляет около 4-6 г/ сутки.
Общее содержание калия в организме взрослого составляет 160 г. 90% этого количества содержится внутриклеточно, 10% распределяется во внеклеточном пространстве. В плазме крови содержится 4 - 5 ммоль/л, внутри клеток - 110 ммоль/л. Суточная потребность в калии для взрослого человека составляет 2-4 г.
Биологическая роль натрия и калия:
важнейшие осмотически активные катионы;
определяют распределение воды в организме;
влияют на электровозбудимость клеток;
участвуют (Na) во всасывании аминокислот, моносахаров;
калий необходим для биосинтетических процессов.
Всасывания натрия и калия происходит в желудке и в кишечнике. Натрий может незначительно депонироваться в печени. Натрий и калий выводятся из организма в основном через почки, в меньшей степени через потовые железы и через кишечник.
В перераспределении натрия и калия между клетками и внеклеточной жидкостью участвует натрий - калиевая АТФ-аза - мембранный фермент, который за счёт энергии АТФ перемещает ионы натрия и калия против градиента концентрации. Создаваемый перепад концентрации натрия и калия обеспечивает процесс возбуждения ткани.

12.1.2. Регуляция водно-солевого обмена
Регуляция обмена воды и солей осуществляется при участии центральной нервной системы, вегетативной нервной системы и эндокринной системы.
В центральной нервной системе при при повышении осмотических свойств крови формируется чувство жажды. Возбуждение питьевого центра, находящегося в гипоталамусе, приводит к потреблению воды и восстановлению её количества в организме.
Вегетативная нервная система участвует в регуляции водного обмена путём регуляции процесса потоотделения.
К гормонам, участвующим в регуляции водно–солевого обмена, относятся антидиуретический гормон, минералокортикоиды, натрийуретический гормон предсердий..
Антидиуретический гормон синтезируется в гипоталамусе, перемещается в заднюю долю гипофиза, откуда выделяется в кровь. Данный гормон задерживает воду в организме путём усиления обратной реабсорбции воды в почках, за счёт активации синтеза в них белка аквапорина.
Альдостерон способствует задержке натрия в организме и потере ионов калия через почки. Считается, что данный гормон способствует синтезу белков натриевых каналов, определяющих обратную реабсорбцию натрия. Он также активирует цикл Кребса и синтез АТФ, необходимого для процессов реабсорбции натрия. Альдостерон активирует синтез белков - транспортёров калия, что сопровождается повышенным выведением калия из организма.
Функция и антидиуретического гормона и альдостерона тесно взаимосвязана с ренин - ангиотензиновой системой крови.
Ренин-ангиотензивная система крови.
При уменьшении кровотока через почки в результате обезвоживания организма в почках вырабатывается протеолитический фермент ренин, который переводит ангиотензиноген (α2 - глобулин) в ангиотензин I - пептид, состоящий из 10 аминокислот. Ангиотензин I под действием ангиотезинпревращающего фермента (АПФ) подвергается дальнейшему протеолизу и переходит в ангиотензин II, включающий 8 аминокислот, Ангиотензин II суживает сосуды, стимулирует выработку антидиуретического гормона и альдостерона, которые задерживают воду.



Натрийуретический пептид вырабатывается в предсердиях в ответ на увеличение объёма воды в организме и на растяжения предсердий. Он состоит из 28 аминокислот, представляет собой циклический пептид с дисульфидными мостиками. Натрийуретический пептид способствует выведению натрия и воды из организма.

12.1.3. Нарушение водно-солевого обмена
К нарушениям водно–солевого обмена относятся обезвоживание, гипергидратация, отклонения концентрации натрия и калия в плазме крови.
Обезвоживание (дегидратация) сопровождается тяжёлыми нарушениями функции центральной нервной системы. Причинами обезвоживания организм могут являться:
водный голод;
расстройства функции желудочно-кишечного тракта (диарея, неукротимая рвота);
увеличение потери через лёгкие (одышка, гипертермия);
усиленное потоотделение;
сахарный и несахарный диабет.
Гипергидратация – увеличение количества воды в организме может наблюдаться при ряде патологических состояний:
повышенное поступление жидкости в организм;
почечная недостаточность;
нарушение кровообращения;
заболевания печени.
Местным проявлением накопления жидкости в организме являются отёки.
Голодные отёки наблюдаются вследствие гипопротеинемии при белковом голодании, заболеваниях печени. Сердечные отёки возникают при нарушении гидростатического давления при заболеваниях сердца. Почечные отёки развиваются в результате изменения осмотического и онкотического давления плазмы крови при болезнях почек
Гипонатриемия, гипокалиемия проявляются нарушением возбудимости, поражением нервной системы, нарушением ритма сердца. Эти состояния могут возникать при различных патологических состояниях:
нарушение функции почек;
многократная рвота;
диарея;
нарушение выработки альдостерона, натрийуретического гормона.

12.1.4. Роль почек в водно-солевом обмене
В почках происходит фильтрация, реабсорбции, секреция натрия, калия. На почки оказывает регулирующее влияние альдостерон, антидиуретический гормон. В почках вырабатывается ренин – пусковой фермент ангиотензиновой системы. Почки осуществляют выделение протонов, и тем самым регулируют рН.

12.1.5. Особенности водного обмена у детей
У детей повышено общее содержание воды, которое у новорожденных достигает 75%. В детском возрасте отмечается иное распределение воды в организме: снижено количество внутриклеточной воды до 30%, что обусловлено пониженным содержанием внутриклеточных белков. В то же время повышено содержание внеклеточной воды до 45%, что связано более высоким содержанием гидрофильных гликозаминогликанов в межклеточном веществе соединительной ткани.
Водный обмен в детском организме протекает более интенсивно. Потребность в воде у детей в 2-3 раза выше, чем у взрослых людей. Для детей характерно выделение в составе пищеварительных соков большого количества воды, которая быстро подвергается обратному всасыванию. У детей раннего возраста иное соотношение потерь воды из организма: больше доля воды, выделяемой через лёгкие и кожу. Для детей характерна задержка воды в организме (положительный водный баланс)
В детском возрасте наблюдается неустойчивая регуляция водного обмена, не сформировано чувство жажды, вследствие чего выражена склонность к обезвоживанию.
В течение первых лет жизни преобладает выведение калия над выведением натрия.

12.2. Кальций - фосфорный обмен
Общее содержание кальция составляет 2% от массы тела (около 1,5 кг). 99% его сосредоточено в костях, 1% составляет внеклеточный кальций. Содержание кальция в плазме крови равняется 2,3-2,8 ммоль/л, 50% этого количества приходится на ионизированный кальций и 50% - на белковосвязанный кальций.
Функции кальция:
пластический материал;
участвует в мышечном сокращении;
участвует в свёртывании крови;
регулятор активности многих ферментов (играет роль вторичного посредника).
Суточная потребность в кальции для взрослого человека составляет 1,5 г. Всасывание кальция в желудочно – кишечном тракте лимитировано. Всасывается примерно 50% кальция пищевых продуктов при участии кальцийсвязывающего белка. Будучи внеклеточных катионом, кальций поступает в клетки через кальциевые каналы, депонируется в клетках в саркоплазматическом ретикулуме и митохондриях.
Общее содержание фосфора в организме составляет 1% от массы тела (около 700 г). 90% фосфора содержится в костях, 10% приходится на внутриклеточный фосфор. В плазме крови содержание фосфора равно 1-2 ммоль/л.
Функции фосфора:
пластическая функция;
входит в состав макроэргов (АТФ);
компонент нуклеиновых кислот, липопротеидов, нуклеотидов, солей;
входит в состав фосфатного буфера;
регулятор активности многих ферментов (фосфорилирование – дефосфорилирование ферментов);
играет роль вторичного посредника для некоторых гормонов
Суточная потребность в фосфоре для взрослого человека составляет около 1,5 г. В желудочно–кишечном тракте фосфор всасывается при участии щелочной фосфатазы.
Кальций и фосфор выводятся из организма в основном через почки, незначительное их количество теряется через кишечник.

12.2.1. Регуляция кальций – фосфорного обмена.
В регуляции обмена кальция и фосфора участвуют паратгормон, кальцитонин, витамин Д.
Паратгормон повышает уровень кальция в крови и одновременно снижет уровень фосфора. Повышение содержания кальция связано с активацией фосфатазы, коллагеназы остеокластов, в результате чего при обновлении костной ткани происходит вымывание кальция в кровь. Кроме того, паратгормон активирует всасывание кальция в желудочно – кишечном тракте при участии кальцийсвязывающего белка и уменьшает выведение кальция через почки. Фосфаты под действием паратгоромна, наоборот, усиленно выводятся через почки.
Кальцитонин снижает уровень кальция и фосфора в крови. Кальцитонин уменьшает активность остеокластов и, тем самым, снижает выделение кальция из костной ткани.

13.2.1.1. Витамин D
Витамин D (холекальциферол, антирахитический витамин) относится к жирорастворимым витаминам. Суточная потребность в витамине составляет 25 мкг. Витамин D под действием УФ - лучей синтезируется в коже из его предшественника 7-дегидрохолестерина, который в комплексе с белком поступает в печень. В печени при участии микросомальной системы оксигеназ происходит его окисление в 25 положении с образованием 25 -гидрокисихолекальциферола. Этот предшественник витамина при участии специфического транспортного белка переносится в почки, где подвергается второй реакции гидроксилирования в первом положении с образованием активной формы витамина D3 - 1,25-дигидрохолекальциферола (или кальцитриола).. Реакция гидроксилирования в почках активируется паратгормоном при снижении уровня кальция в крови. При достаточном содержании кальция в организме в почках образуется неактивный метаболит 24,25 (ОН). В реакциях гидроксилирования принимает участие витамин С.
1,25 (ОН)2 D3 действует аналогично стероидным гормонам. Проникая в клетки – мишени, он взаимодействует с рецепторами, которые мигрируют в ядро клетки. В энтероцитах этот гормон – рецепторный комплекс стимулирует транскрипцию иРНК, отвечающую за синтез белка – переносчика кальция. В кишечнике усиливается всасывание кальция при участии кальцийсвязывающего белка и Са2+- АТФ-азы. В костной ткани витамин D3 стимулирует процесс деминерализации. В почках активация витамином D3 кальциевой АТФ-азы сопровождается увеличением реабсорбции ионов кальция и фосфатов. Кальцитриол участвует в регуляции процессов роста и дифференцировки клеток костного мозга. Он обладает антиоксидантным и противоопухолевым действием.
Гиповитаминоз приводит к заболеванию рахитом.
Гипервитаминоз приводит к выраженной деминерализации костей, кальцификации мягких тканей.



12.2.2. Нарушения кальций – фосфорного обмена
Рахит проявляется нарушением минерализации костной ткани. Заболевание может быть следствием гиповитаминоза D3., отсутствием солнечных лучей, недостаточной чувствительностью организма к витамину. Биохимическими симптомами рахита являются снижение уровня кальция и фосфора в крови и снижение активности щелочной фосфатазы. У детей рахит проявляется нарушением остеогенеза, деформаций костей, гипотонией мышц, повышенной нервно-мышечной возбудимостью. У взрослых людей гиповитаминоз приводит к кариесу и остеомаляции, у пожилых людей – к остеопорозу.
У новорожденных может развиваться транзиторная гипокальциемия, поскольку прекращается поступления кальция из организма матери и наблюдается гипопаратиреоз.
Гипокальцемия, гипофосфатемия могут встречаться при нарушении выработки паратгормона, кальцитонина, нарушении функции желудочно – кишечного тракта (рвота, диарея), почек, при механической желтухе, в период заживления переломов.

12.3. Обмен железа и его нарушения
Общее содержание железа в организме взрослого человека составляет 5 г. Железо распределяется в основном внутриклеточно, где преобладает гемовое железо: гемоглобин, миоглобин, цитохромы. Внеклеточное железо представлено белком трансферрином. В плазме крови содержание железа равно 16-19 мкмоль/л, в эритроцитах - 19 ммоль/л. Обмен железа у взрослых людей составляет 20-25 мг/сутки. Основная часть этого количества (90%) составляет эндогенное железо, освобождающееся при распаде эритроцитов, 10% - экзогенное железо, поступающее в составе пищевых продуктов.
Биологические функции железа:
обязательный компонент окислительно - восстановительных процессов в организме;
транспорт кислорода (в составе гемоглобина);
депонирование кислорода (в составе миоглобина);
антиоксидантная функция (в составе каталазы и пероксидаз);
стимулирует иммунные реакции в организме.
Всасывание железа происходит в кишечнике и является лимитированным процессом. Считается, что всасывается 1/10 часть железа пищевых продуктов. В пищевых продуктах содержится окисленное 3-х валентное железо, которое в кислой среде желудка переходит в Fе2+. Всасывание железа происходит в несколько этапов: поступление в энтероциты при участии муцина слизистой оболочки, внутриклеточный транспорт ферментами энтероцитов, переход железа в плазму крови. Во всасывании железа участвует белок апоферритин, который связывает железо и накапливается в слизистой кишечника, создавая депо железа. Эта стадия обмена железа является регуляторной: синтез апоферритина уменьшается при недостатке железа в организме.
Всосавшееся железо транспортируется в составе белка трансферрина, где окисляется церулоплазмином до Fе3+ , в результате чего возрастает растворимость железа. Трансферрин взаимодействует с тканевыми рецепторами, количество которых очень вариабельно. Этот этап обмена также является регуляторным.
Железо может депонироваться в форме ферритина и гемосидерина. Ферритин печени – водорастворимый белок, содержащий до 20% Fе2+ в виде фосфата или гидроксида. Гемосидерин – нерастворимый белок, содержит до 30% Fе3+, включает в свой состав полисахариды, нуклеотиды, липиды.
Выведение железа из организма происходит в составе слущивающегося эпителия кожи, кишечника. Незначительное количество железа теряется через почки с жёлчью и слюной.
К наиболее часто встречающейся патологии обмена железа относится железодефицитная анемия. Однако возможно и перенасыщение организма железом с накоплением гемосидерина и развитием гемохроматоза.
13. ТКАНЕВАЯ БИОХИМИЯ

13.1. БИОХИМИЯ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ
Разнообразные виды соединительной ткани построены по единому принципу: в большой массе межклеточного основного вещества (протеогликаны и сетчатые гликопротеиды) распределены волокна (коллагеновые, эластиновые, ретикулиновые) и разнообразные клетки (макрофаги, фибробласты, и другие клетки).
Соединительная ткань выполняет разнообразные функции:
опорная функция (костный скелет);
барьерная функция;
метаболическая функция (синтез в фибробластах химических компонентов ткани);
депонирующая функция (накопление меланина в меланоцитах);
репаративная функция (участие в заживлении ран);
участие в водно-солевом обмене (протеогликаны связывают внеклеточную воду).

Состав и обмен основного межклеточного вещества.
Материал о структуре протеогликанов и гликопротеидов изложен в разделе Химия углеводов.
Синтез гликопротеидов и протеогликанов.
Углеводный компонент протеогликанов представлен гликозаминогликанами (ГАГ), включающими в свой состав ацетиламиносахара и уроновые кислоты. Исходным веществом для их синтеза служит глюкоза.
Глюкозо - 6 - фосфат → фруктозо - 6-фосфат глютамин→ глюкозамин.
глюкоза → УДФ-глюкоза → УДФ - глюкуроновая кислота
глюкозамин + УДФ-глюкуроновая кислота + ФАФС → ГАГ
ГАГ + белок → протеогликан
Распад протеогликанов, гликопротеидов осуществляется различными ферментами: гиалуронидазой, идуронидазой, гексаминидазами, сульфатазами.

Обмен белков соединительной ткани.
Обмен коллагена
Основным белком соединительной ткани является коллаген (структуру смотри в разделе Химия белков). Коллаген - это полиморфный белок с различными вариантами сочетания полипептидных цепей в его составе. В организме человека преобладают фибриллообразующие формы коллагена 1,2,3 типа.
Синтез коллагена.
Синтез коллагена происходит в фиробластах и во внеклеточном пространстве, включает несколько стадий. На первых стадиях синтезируется проколлаген N и С концевые фрагменты). Затем происходит посттрансляционная модификация проколлагена двумя способами: путём окисления (гидроксилирование) и путём гликозилирования.
окислению подвергается аминокислоты лизин и пролин при участии ферментов лизиноксигеназы, пролиноксигеназы, ионов железа и витамина С. Образовавшиеся гидроксилизин, гидроксипролин, участвуют в формировании поперечных связей в коллагене;
присоединение углеводного компонента осуществляется при участии ферментов гликозилтрансфераз.
Модифицированный проколлаген выделяется в межклеточное пространство, где подвергается частичному протеолизу путём отщепления концевых N и С фрагментов. В результате проколлаген переходит в тропоколлаген - структурный блок коллагенового волокна.


Распад коллагена.
Коллаген - медленно обменивающийся белок. Распад коллагена осуществляется ферментом коллагеназой. Она является цинксодержащим ферментом, который синтезируется в виде проколлагеназы. Проколлагеназа активируется трипсином, плазмином, калликреином путём частичного протеолиза. Коллагеназа расщепляет коллаген в середине молекулы на большие фрагменты, которые далее расщепляются цинксодержащими ферментами желатиназами.

13.1.1. Витамин С
В обмене коллагена очень важную роль играет витамин С (аскорбиновая кислота, антицинготный витамин). По химической природе он является лактоном кислоты, по структуре близкой глюкозе. Суточная потребность в аскорбиновой кислоте для взрослого человека составляет 50 – 100 мг. Витамин С распространён в фруктах, овощах. Роль витамина С заключается в следующем:
участвует в синтезе коллагена;
участвует в обмене тирозина;
участвует в переходе фолиевой кислоты в ТГФК;
является антиоксидантом.
Авитаминоз С проявляется цингой (гингивит, анемия, кровоточивость).

Обмен эластина.
Обмен эластина изучен недостаточно. Считается, что синтез эластина в виде проэластина происходит в основном в эмбриональном периоде. Распад эластина осуществляется ферментом нейтрофилов эластазой, который синтезируется в виде неактивной проэластазы.

Особенности состав и обмена соединительной ткани в детском возрасте.
Выше содержание протеогликанов;
Иное соотношение ГАГ: больше гиалуроновой кислоты, меньше хондроттинсульфатов и кератансульфатов;
Преобладает коллаген 3 типа, менее устойчивый и более быстро обменивающийся;
Более интенсивный обмен компонентов соединительной ткани.

Нарушения обмена соединительной ткани.
Возможны врождённые нарушения обмена гликозаминогликанов и протеогликанов – мукополисахаридозы. Вторую группу заболеваний соединительной ткани составляют коллагенозы, в частности, ревматизм. При коллагенозах наблюдается деструктция коллагена, одним из симптомов которой является гидроксипролинурия.

13.2. БИОХИМИЯ МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ
Химический состав мышц: 80-82% составляет вода, 20% составляет сухой остаток. 18% сухого остатка приходится на белки, остальная часть его представлена азотистыми небелковыми веществами, липидами, углеводами, минеральными веществами.

Белки мышц.
Белки мышц делятся на 3 вида:
саркоплазматические (водорастворимые) белки, составляют 30% всех белков мышц;
миофибриллярные (солерастворимые) белки, составляют 50% всех белков мышц;
стромальные (водонерастворимые) белки, составляют 20% всех мышечных белков.
Миофибриллярные белки представлены миозином, актином, (основные белки) тропомиозином и тропонином (минорные белки).
Миозин - белок толстых нитей миофибрилл, имеет молекулярную массу около 500000 д, состоит из двух тяжёлых цепей и 4 лёгких цепей. Миозин относится к группе глобулярно - фибрилярных белков. В нём чередуются глобулярные головки из лёгких цепей и фибриллярные хвосты из тяжёлых цепей. Головка миозина обладает ферментативной АТФ-азной активностью. На миозин приходится 50% миофибриллярных белков.
Актин представлен двумя формами глобулярной (G-форма), фибриллярной (F-форма). G- форма имеет молекулярную массу 43000 д. F-форма актина имеет вид закрученных нитей из шаровидных G-форм. На этот белок приходится 20-30% миофибриллярных белков.
Тропомиозин - минорный белок с молекулярной массой 65000 д. Он имеет овальную палочковидную форму, укладывается в углублениях активной нити, и выполняет функцию изолятора между активной и миозиновой нитью.
Тропонин – Са - зависимый белок, который меняет свою структуру при взаимодействии с ионами кальция.
Саркоплазматитческие белки представлены миоглобином, ферментами, компонентами дыхательной цепи.
Стромальные белки - коллаген, эластин.

Азотистые экстрактивные вещества мышц.
К азотистым небелковым веществам относятся нуклеотиды (АТФ), аминокислоты (в частности, глютамат), дипептиды мышц (карнозин и ансерин). Данные дипептиды влияют на работу натриевых, кальциевых насосов, активируют работу мышц, регулируют апопоптоз, являются антиоксидантами. К азотистым веществам относится креатин, фосфокреатин и креатинин. Креатин синтезируется в печени и транспортируется в мышцы.


Органические безазотистые вещества
В мышцах содержатся все классы липидов. Углеводы представлены глюкозой, гликогеном и продуктами углеводного обмена (лактат, пируват).

Минеральные вещества
В мышцах содержится набор многих минеральных веществ. Наиболее высока концентрация кальция, натрия, калия, фосфора.
Химизм мышечного сокращения и расслабления.
При возбуждении поперечно – полосатых мышц происходит выход ионов кальция из саркоплазматического ретикулума в цитоплазму, где концентрация Са2+ увеличивается до 10-3 моля. Ионы кальция взаимодействует с регуляторным белком тропонином, изменяя его конформацию. В результате этого происходит смещение регуляторного белка тропомиозина вдоль актинового волокна и освобождение участков взаимодействия актина и миозина. Активируется АТФ-азная активность миозина. За счёт энергии АТФ изменяется угол наклона головки миозина по отношению к хвосту, и в результате происходит скольжение актиновых нитей относительно миозиновых, наблюдается сокращение мышц.
По прекращении поступления импульсов ионы кальция закачивается в саркоплазматический ретикулум при участии Са - АТФ-азы за счёт энергии АТФ. Концентрация Са2+ в цитоплазме снижается до 10-7 моля, что ведёт к освобождению тропонина от ионов кальция. Это, в свою очередь, сопровождается изоляцией сократительных белков актина и миозина белком тропомиозином, происходит расслабление мышц.
Для мышечного сокращения последовательно используются следующие источники энергии:
ограниченный запас эндогенного АТФ;
незначительный фонд креатинфосфата;
образование АТФ за счёт 2 молекул АДФ при участии фермента миокиназы
(2 АДФ → АМФ + АТФ);
анаэробное окисление глюкозы;
аэробные процессы окисления глюкозы, жирных кислот, ацетоновых тел.
В детском возрасте в мышцах повышено содержание воды, меньше доля миофибриллярных белков, выше уровень стромальных белков.
К нарушениям химического состава и функции поперечно - полосатых мышц относятся миопатии, при которых наблюдается нарушение энергетического обмена в мышцах и снижение содержания миофибриллярных сократительных белков.

13.3. БИОХИМИЯ НЕРВНОЙ ТКАНИ
Серое вещество головного мозга (тела нейронов) и белое вещество (аксоны) отличаются содержанием воды и липидов. Химический состав серого и белого вещества:




Белки головного мозга
Белки головного мозга различаются по растворимости. Выделяют водорастворимые (солерастворимые) белки нервной ткани, к которым относятся нейроальбумины, нейроглобулины, гистоны, нуклеопротеиды, фосфопротеиды, и водонерастворимые (соленерастворимые), к которым относятся нейроколлаген, нейроэластин, нейростромин.

Азотистые небелковые вещества
Небелковые азотсодержащие вещества мозга представлены аминокислотами, пуринами, мочевой кислотой, дипептидом карнозином, нейропептидами, нейромедиаторами. В большей концентрации содержатся аминокислоты глютамат и аспатрат, относящиеся к возбуждающим аминокислотам головного мозга.
Нейропептиды (нейроэнкефалины, нейроэндорфины) – это пептиды, обладающие морфиноподобным обезболивающим эффектом. Они являются иммуномодуляторами, выполняют нейромедиаторную функцию. Нейромедиаторы норадреналин и ацетилхолин являются биогенными аминами.

Липиды головного мозга
Липиды составляют 5% сырой массы серого вещества и 17% сырой массы белого вещества, соответственно 30 - 70% от сухой массы мозга. Липиды нервной ткани представлены:
свободными жирными кислотами (арахидоновая, цереброновая, нервоновая);
фосфолипидами (ацетальфосфатиды, сфингомиелины, холинфосфатиды, холестерин);
сфинголипидами (ганглиозиды, цереброзиды).
Распределение жиров в сером и белом веществе неравномерно. В сером веществе отмечается более низкое содержание холестерина, высокое содержание цереброзидов. В белом веществе выше доля холестерина и ганглиозидов.

Углеводы головного мозга
Углеводы содержатся в ткани мозга в очень низкой концентрации, что является следствием активного использования глюкозы в нервной ткани. Углеводы представлены глюкозой в концентрации 0,05%, метаболитами углеводного обмена.

Минеральные вещества
Натрий, кальций, магний, распространены в сером и белом веществе довольно равномерно. В белом веществе отмечается повышенная концентрация фосфора.
Основная функция нервной ткани заключается в проведении и передаче нервного импульса.

Проведение нервного импульса
Проведение нервного импульса связано с изменением концентрации натрия и калия внутри и вне клеток. При возбуждении нервного волокна резко увеличивается проницаемость нейронов и их отростков для натрия. Натрий из внеклеточного пространства поступает внутрь клеток. Выход калия из клеток задерживается. В результате происходит возникновение заряда на мембране: наружная поверхность приобретает отрицательный заряд, а внутренняя положительный заряд - возникает потенциал действия. По окончании возбуждения ионы натрия выкачиваются во внеклеточное пространство при участии К,Na-АТФ-азы, и мембрана перезаряжается. Снаружи мембраны возникает положительный заряд, а внутри - отрицательный заряд - возникает потенциал покоя.

Передача нервного импульса
Передача нервного импульса в синапсах осуществляется с помощью нейромедиаторов. Классическими нейромедиаторами являются ацетилхолин и норадреналин.
Ацетилхолин синтезируется из ацетил-КоА и холина при участии фермента ацетилхолинтрансферазы, накапливается в синаптических пузырьках, выделяется в синаптическую щель и взаимодействует с рецепторами постсинаптической мембраны. Ацетилхолин разрушается ферментом холинэстеразой.


Норадреналин синтезируется из тирозина, разрушается ферментом моноаминоксидазой.

В качестве медиаторов могут выступать также ГАМК (гамма-аминомасляная кислота), серотонин, глицин.

Особенности метаболизма нервной ткани заключаются в следующем:
наличие гематоэнцефалического барьера ограничивает проницаемость мозга для многих веществ;
преобладают аэробные процессы;
основным энергетическим субстратом является глюкоза.
У детей к моменту рождения сформировано 2/3 нейронов, остальная часть их формируется в течение первого года. Масса мозга у годовалого ребёнка составляет около 80% от массы мозга взрослого человека. В процессе созревания мозга резко увеличивается содержание липидов, активно протекают процессы миелинизации.


13.4. БИОХИМИЯ ПЕЧЕНИ
Химический состав ткани печени: 80% вода, 20% сухой остаток (белки, азотистые вещества, липиды, углеводы, минеральные вещества).
Печень участвует во всех видах обмена организма человека.

Углеводный обмен
В печени активно протекает синтез и распад гликогена, глюконеогенез, происходит усвоение галактозы и фруктозы, активен пентозофосфатный путь.

Липидный обмен
В печени происходит синтез триацилглицеринов, фосфолипидов, холестерина, синтез липопротеидов (ЛПОНП, ЛПВП), синтез жёлчных кислот из холестерина, синтез ацетоновых тел, которые затем транспортируются в ткани,

Азотистый обмен
Для печени характерен активный обмен белков. В ней происходит синтез всех альбуминов и большинства глобулинов плазмы крови, факторов свёртывания крови. В печени активно протекает катаболизм аминокислот – дезаминирование, трансаминирование, синтез мочевины. В гепатоцитах происходит распад пуринов с образованием мочевой кислоты, синтез азотистых веществ - холина, креатина.

Антитоксическая функция
Печень является важнейшим органом обезвреживания как экзогенных (лекарственных веществ), так и эндогенных токсических веществ (билирубин, продукты гниения белков аммиак). Детоксикация ядовитых веществ в печени происходит в несколько этапов:
повышается полярность и гидрофильность обезвреживаемых веществ путём окисления (индол в индоксил), гидролиза (ацетилсалициловая → уксусная + салициловая кислоты), восстановления и т. д.;
конъюгирование с глюкуроновой кислотой, серной кислотой, гликоколом, глютатионом, металотионеином (для солей тяжелых металлов).
В результате биотрансформации токсичность веществ, как правило, заметно снижается.

Пигментный обмен
Участие печени в обмене жёлчных пигментов состоит в обезвреживании билирубина, разрушении уробилиногена

Порфириновый обмен:
В печени происходит синтез порфобилиногена, уропорфириногена, копропорфириногена, протопорфирина и гема.

Обмен гормонов
Печень активно осуществляет инактивацию адреналина, стероидов (конъюгирование, окисление), серотонина, других биогенных аминов.

Водно-солевой обмен
Печень косвенно участвует в водно-солевом обмене путём синтеза белков плазмы крови, определяющих онкотическое давление и синтеза ангиотензиногена – предшественника ангиотензина II.

Минеральный обмен
В печени происходит депонирование железа, меди, синтез транспортных белков церулоплазмина и трансферрина, экскреция минеральных веществ в составе жёлчи.
В раннем детском возрасте функции печени находятся в стадии становления, возможны их нарушение.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1.
СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ БЕЛКОВ

3

1.1
Содержание белков в организме человека
3

1.2.
Биологические функции белков
3

1.3.
Химический состав белков
4

1.3.1.
Элементарный состав белков
4

1.3.2.
Аминокислотный состав белков
4

1.4
Виды связей аминокислот в белках
4

1.5.
Структурная организация белков
5

1.5.1.
Первичная структура белков
5

1.5.2.
Вторичная структура белков
7

1.5.3.
Третичная структура белков
8

1.5.4.
Четвертичная структура белков
9

1.5.5.
Доменные белки
10

1.6.
Физико-химические свойства белков
10

1.6.1.
Растворимость белков
11

1.6.2.
Молекулярная масса
11

1.6.3.
Размеры и форма белковых молекул
12

1.6.4.
Свойства белков, сходные со свойствами коллоидных растворов
12

1.6.5.
Оптические свойства белков
12

1.6.6.
Свойства белков как истинных растворов
13

1.6.6.1.
Заряд белковых молекул
13

1.6.6.2.
Формирование гидратной оболочки
14

1.7.
Виды осадочных реакций белков из растворов
14

1.8.
Методы количественного определения белков
15

1.9.
Выделение, фракционирование и очистка белков
15

1.10.
Классификация белков
16

1.10.1.
Простые белки
16

1.10.2
Сложные белки

18

2.
СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ

20

2.1.
Краткая история ферментологии
20

2.2.
Структура ферментов
20

2.3.
Механизм действия ферментов
22

2.4.
Номенклатура ферментов
24

2.5.
Классификация ферментов
24

2.6.
Свойства ферментов
25

2.6.1.
Высокая каталитическая активность ферментов
25

2.6.2.
Высокая специфичность ферментов
25

2.6.3.
Термолябильность ферментов
26

2.6.4.
Фотолябильность ферментов
26

2.6.5.
Зависимость активности от рН
26

2.6.6.
Зависимость скорости ферментативных реакций от концентрации фермента и концентрации субстрата
27

2.6.7.
Зависимость скорости ферментативных реакций от присутствия активаторов и ингибиторов
29

2.6.7.1.
Влияние активаторов ферментов
29

2.6.7.2.
Влияние ингибиторов ферментов
29

2.8.
Регуляция активности ферментов в процессе метаболизма
31

2.9.
Структурная организация ферментов в клетке
31

2.10.
Принципы обнаружения и количественного определения ферментов
32

2.10.1.
Количественное определение ферментов

32

3.
ВВЕДЕНИЕ В ОБМЕН ВЕЩЕСТВ. БИОХИМИЯ ПИТАНИЯ. ВИТАМИНЫ

32

3.1.
Общие сведения об обмене веществ
32

3.2.
Биохимия питания
33

3.2.1.
Краткая характеристика питательных веществ
33

3.3.
Биохимия витаминов
34

3.3.1.
Номенклатура витаминов
34

3.3.2.
Классификация витаминов
35

3.3.3.
Биологическая роль витаминов
35

3.3.4.
Обмен витаминов
35

3.3.5.
Краткая характеристика некоторых витаминов
35

3.4.
Биохимические основы вскармливания грудных детей
36

3.4.1.
Химический состав грудного молока

37

4.
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ

39

4.1.
Функции биологического окисления
39

4.2.
Краткая история учения о биологическом окислении
39

4.3.
Виды биологического окисления
40

4.4.
Ферменты и коферменты биологического окисления
40

4.4.1.
Никотинамидные дегидрогеназы
40

4.4.1.1.
Витамин РР
41

4.4.2.
Флавопротеиды (флавиновые дегидрогеназы)
41

4.4.2.1.
Витамин В2
42

4.4.3.
Убихинон (Коэнзим Q)
42

4.4.4.
Цитохромы
42

4.4.5.
Оксигеназы
43

4.4.6.
Пероксидазы
43

4.5.
Внутримитохондриальное окисление
43

4.5.1.
Длинная дыхательная цепь
43

4.5.2.
Короткая дыхательная цепь
44

4.5.3.
Окислительные комплексы и их ингибиторы
44

4.6.
Энергетический обмен
45

4.6.1.
Окислительное фосфорилирование
46

4.6.1.1.
Регуляция окислительного фосфорилирования
46

4.6.2.
Особенности энергетического обмена у детей
47

4.6.3.
Нарушения энергетического обмена
47

4.7.
Внемитохондриальное окисление
48

4.7.1.
Окисление с участием оксидаз. Активные формы кислорода
48

4.7.2.
Окисление с участием оксигеназ
49

4.7.3.
Пероксидазное окисление

49

5.
ОБЩИЕ ПУТИ КАТАБОЛИЗМА

49

5.1.
Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты
50

5.1.1.
Пируватдегидрогеназный комплекс
50

5.1.2.
Биологическая роль окислительного декарбоксилирования пирувата
51

5.2.
Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
51

5.2.1.
Химизм цикла Кребса
52

5.2.2.
Биологическое значение цикла Кребса
52

5.2.3.
Регуляция активности цикла трикарбоновых кислот

53

6.
ОБМЕН И ФУНКЦИИ УГЛЕВОДОВ

53

6.1.
Содержание углеводов в организме и их биологические функции
53

6.2.
Классификация углеводов
53

6.2.1.
Моносахариды и их производные
54

6.2.2.
Олигосахариды
54

6.2.3.
Полисахариды
55

6..2.3.1.
Гомополисахариды
55

6.2.3.2.
Гетерополисахариды (гликозаминогликаны)
56

6.2.3.3.
Особенности содержания и обмена гликозаминогликанов и протеогликанов у детей
57

6.3.
Переваривание и всасывание углеводов
57

6.3.1.
Особенности переваривания углеводов в детском возрасте
57

6.3.2.
Особенности микробиологического статуса кишечника грудных детей
57

6.3.3.
Всасывание моносахаридов в кишечнике
58

6.3.3.1.
Особенности всасывания углеводов у детей
58

6.4.
Обмен гликогена
58

6.4.1.
Биосинтез гликогена
58

6.4.2.
Распад гликогена
59

6.5.
Обмен глюкозы в тканях
60

6.5.1.
Окисление глюкозы в тканях
60

6.5.1.1.
Анаэробное окисление глюкозы
60

6.5.1.2.
Аэробное окисление глюкозы
62

6.5.2.
Биосинтез глюкозы (глюконеогенез)
63

6.5.2.1.
Витамин Н
64

6.6.
Пентозофосфатный путь окисления глюкозы
64

6.7.
Утилизация фруктозы и её нарушения
66

6.8.
Усвоение галактозы и его нарушения
66

6.9.
Взаимные превращения углеводов (гексоз)
66

6.10.
Особенности обмена глюкозы в различных тканях
67

6.11.
Регуляция углеводного обмена.
67

6.12.
Патология углеводного обмена
68

6.12.1.
Нарушение переваривания и всасывания углеводов
68

6.12.2.
Нарушение содержания глюкозы в крови
69

6.12.3.
Нарушение тканевого обмена углеводов


69

7.
ОБМЕН И ФУНКЦИИ ЛИПИДОВ

71

7.1.
Спиртовой и жирнокислотный состав основных жиров тканей человека
71

7.2.
Классификация жиров
72

7.2.1.
Глицеринсодержащие жиры
72

7.2.1.1.
Триацилглицерины
72

7.2.1.2.
Глицерофосфолипиды
73

7.2.2.
Сфингозинсодержащие липиды
74

7.2.2.1.
Сфингофосфолипиды
74

7.2.2.2.
Сфингогликолипиды
74

7.2.3.
Холестеринсодержащие липиды
75

7.3.
Содержание жиров в организме человека
75

7.4.
Биологические функции жиров
75

7.5.
Структура и функции клеточных мембран
76

7.6.
Переваривание жиров
77

7.7.
Всасывание продуктов расщепления жиров
79

7.8.
Ресинтез жиров в слизистой тонкого кишечника
79

7.9.
Особенности переваривания и всасывания жиров у детей
80

7.10.
Транспорт жиров кровью
80

7.11.
Обмен триацилглицеринов
82

7.11.1.
Распад триацилглицеринов в тканях (липолиз)
82

7.11.1.1.
Окисление жирных кислот
82

7.11.1.2.
Окисление глицерина
84

7.11.2.
Синтез триацилглицеринов (липогенез)
84

7.11.2.1.
Синтез глицерина
84

7.11.2.2.
Синтез жирных кислот
84

7.11.2.3.
Синтез триацилглицеринов
86

7.12.
Обмен глицерофосфолипидов
86

7.12.1.
Синтез глицерофосфолипидов
86

7.12.2.
Распад глицерофосфолипидов
86

7.13.
Обмен сфинголипидов
87

7.13.1.
Синтез сфинголипидов
87

7.13.2.
Распад сфинголипидов и его нарушения
88

7.14.
Обмен холестерина
88

7.14.1.
Биосинтез холестерина
88

7.14.2.
Использование холестерина в тканях
89

7.14.3.
Выведение холестерина из организма
89

7.14.4.
Нарушение обмена холестерина
89

7.15.
Взаимосвязь липидного и углеводного обменов
90

7.15.1.
Ацетоновые тела
90

7.16.
Регуляция липидного обмена
91

7.17.
Патология липидного обмена
91

7.18.
Перекисное окисление липидов (ПОЛ)
92

7.18.1.
Витамин Е
93

7.19.
Эйкозаноиды
93

7.19.1.
Синтез и краткая характеристика эйкозаноидов

93

8.
ОБМЕН БЕЛКОВ И АМИНОКИСЛОТ

94

8.1.
Общие сведения об азотистом обмене
94

8.2.
Переваривание белков
95

8.3.
Всасывание аминокислот
96

8.4.
Гниение белков в толстом кишечнике
97

8.4.1.
Обезвреживание продуктов гниения белков в печени
97

8.5.
Динамическое состояние белков в тканях
98

8.5.1.
Пути образования и использования аминокислот в тканях
98

8.6.
Катаболизм аминогрупп аминокислот
99

8.6.1.
Трансаминирование аминокислот
99

8.6.1.1.
Витамин В6
99

8.6.2.
Дезаминирование аминокислот
100

8.6.2.1.
Окислительное дезаминирование
100

8.6.2.2.
Непрямое дезаминирование
100

8.6.2.3.
Внутримолекулярное дезаминирование
101

8.7.
Декарбоксилирование аминокислот. Биогенные амины
101

8.8.
Образование и обезвреживание аммиака в организме
103

8.8.1.
Пути временного (экстренного) связывания аммиака в тканях
103

8.8.1.1.
Восстановительное аминирование альфа-кетокислот
103

8.8.1.2.
Амидирование тканевых белков
103

8.8.1.3.
Биосинтез глютамина
104

8.8.2.
Конечные продукты азотистого обмена
104

8.8.2.1.
Синтез аммонийных солей в почках
104

8.8.2.2.
Биосинтез мочевины и его нарушения
105

8.9.
Обмен безазотистых радикалов аминокислот
106

8.10.
Особенности обмена отдельных аминокислот
107

8.10.1.
Обмен глицина и серина
107

8.10.1.1.
Фолиевая кислота
107

8.10.2.
Обмен серосодержащих аминокислот цистеина и метионина
108

8.10.2.1.
Витамин В 12
109

8.10.2.2.
Нарушения обмена серосодержащих аминокислот
109

8.10.3.
Обмен фенилаланина и тирозина и его нарушения
109

8.11.
Регуляция белкового обмена
110

8.12.
Патология белкового обмена

110

9.
ОБМЕН И ФУНКЦИИ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

111

9.1.
Химический состав и строение нуклеиновых кислот
111

9.2.
Обмен нуклеиновых кислот
114

9.2.1.
Переваривание нуклеиновых кислот
114

9.2.2.
Распад нуклеиновых кислот в тканях
114

9.2.2.1.
Распад пуриновых нуклеотидов и его нарушения
114

9.2.2.2.
Распад пиримидиновых нуклеотидов
115

9.2.3.
Биосинтез пуриновых нуклеотидов
116

9.2.4.
Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов
117

9.3.
Биосинтез ДНК
118

9.4.
Биосинтез РНК (транскрипция)
120

9.5.
Биосинтез белков (трансляция)
121

9.5.1.
Характеристика генетического кода
121

9.5.2.
Трансляция
121

9.5.3.
Посттрансляционная модификация белков
122

9.5.4.
Ингибиторы биосинтеза белков
122

9.5.5.
Регуляция биосинтеза белков

122

10.
БИОХИМИЯ ГОРМОНОВ
123

10.1.
Классификация гормонов по их химической природе
123

10.2.
Общие сведения об обмене гормонов
123

10.3.
Механизм действия гормонов
124

10.3.1.
Цитозольный механизм действия гидрофобных (липофильных) гормонов
125

10.3.2.
Мембранный механизм действия водорастворимых гормонов
125

10.3.2.1.
Циклические нуклеотиды цАМФ. цГМФ – вторичные посредники
125

10.3.2.2.
Ионы кальция – вторичные посредники
126

10.3.3.3.
Инозитолсодержащие фосфолипиды – вторичные посредники
126

10.4.
Краткая характеристика гормонов
127

10.4.1.
Белково-пептидные гормоны
127

10.4.1.1.
Гормоны гипофиза
127

10.4.1.2.
Гормоны паращитовидных желез
127

10.4.1.3.
Гормоны поджелудочной железы
128

10.4.1.4.
Гормоны вилочковой железы
128

10.4.2.
Гормоны – производные аминокислот
129

10.4.2.1.
Гормоны щитовидной железы
129

10.4.2.2.
Гормоны мозгового слоя надпочечников
129

10.4.2.3.
Гормоны эпифиза
130

10.4.3.
Стероидные гормоны
130

10.4.3.1.
Гормоны коркового слоя надпочечников
130

10.4.3.2.
Мужские половые гормоны (андрогены)
131

10.4.3.3.
Женские половые гормоны (эстрогены)
131

10.5.
Гормоны плаценты
131

10.6.
Особенности гормонального статуса у детей

132

11.
БИОХИМИЯ КРОВИ
132

11.1.
Биохимия эритроцитов
132

11.2.
Обмен гемопротеидов
134

11.2.1.
Синтез гема и его нарушения
134

11.2.2.
Переваривание и распад гемоглобина в тканях
134

11.2.3.
Нарушения распада гемоглобина
136

11.3.
Химический состав плазмы крови
136

11.3.1.
Белки плазмы крови
137

11.3.1.1.
Изменение белкового состава крови при заболеваниях
138

11.3.2.
Небелковые азотсодержащие вещества крови
138

11.3.2.1.
Кининовая система крови
139

11.3.3.
Безазотистые органические вещества крови
139

11.3.4.
Минеральные вещества крови
139

11.4.
Физико-химические свойства крови
139

11.4.1.
Нарушения кислотно-основного баланса
141

11.4.2.
Особенности кислотно-основного состояния у детей
141

11.5.
Дыхательная функция крови
142

11.5.1.
Транспорт кислорода и его нарушение
142

11.5.2.
Транспорт СО2
143

11.6.
Регуляция агрегатного состояния крови (РАСК)
143

11.6.1.
Свёртывающая система крови
143

11.6.1.1.
Плазменные факторы свёртывания крови
143

11.6.1.2.
Схема свёртывания крови
144

11.6.1.3.
Витамин К
146

11.6.2.
Противосвёртывающая система крови
146

11.6.3.
Детские особенности гемостаза
147

11.6.4.
Нарушения гемостаза

147

12.
ВОДНО-МИНЕРАЛЬНЫЙ ОБМЕН

148

12.1.
Водно-солевой обмен
148

12.1.1.
Обмен натрия и калия
149

12.1.2.
Регуляция водно-солевого обмена
149

12.1.3.
Нарушение водно-солевого обмена
150

12.1.4.
Роль почек в водно-солевом обмене
151

12.1.5.
Особенности водно-солевого обмена у детей
151

12.2.
Кальций - фосфорный обмен
151

12.2.1.
Регуляция кальций - фосфорного обмена
152

12.2.1.1.
Витамин Д
152

12.2.2.2.
Нарушение кальций - фосфорного обмена
153

12.3.
Обмен железа и его нарушение

153

13.
ТКАНЕВАЯ БИОХИМИЯ

154

13.1.
Биохимия соединительной ткани
154

13.1.1.
Витамин С
155

13.2.
Биохимия мышечной ткани
155

13.3.
Биохимия нервной ткани
157

13.4.
Биохимия печени
159











167