БИОХИМИЯ ИНЕТ
реклама
Лекции по Биохимии Биохимия 1. Введение в биохимию 1.1. БЕЛКИ. АМИНОКИСЛОТЫ -- СТРУКТУРНЫЕ КОМПОНЕНТЫ БЕЛКОВ 1.2. Строение и классификация аминокислот 1.3. Уровни структурной организации белковых молекул 1.4. Физико-химические свойства белков 1.5. КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ 1.6. Углеводы. Классификация углеводов 1.7. Липиды 1.8. Витамины 1.8.1. Жирорастворимые витамины 1.8.2. Водорастворимые витамины 1.8.3. ВИТАМИНОПОДОБНЫЕ ВЕЩЕСТВА. 2. Ферменты 2.1. Ферменты и неорганические катализаторы 2.2. Строение ферментов 2.3. Коферменты 2.4. Свойства ферментов 2.5. Номенклатура ферментов 2.6. Классификация ферментов 2.7. Механизм действия ферментов 2.8. Ингибирование ферментативной активности 3. Обмен углеводов 3.1. Биологическая роль углеводов 3.2. Превращение углеводов в пищеварительном тракте 3.3. Биосинтез и распад гликогена 3.4. Основные пути катаболизма глюкозы 3.4.1. Анаэробный гликолиз 3.4.2. Аэробный гликолиз (гексозодифосфатный путь) 3.4.3. Гексозомонофосфатный путь 3.4.4. Глюконеогенез 4. Обмен липидов 4.1. Основные липиды организма человека их биологическая роль. 4.2. Переваривание липидов, ресинтез жира 4.3. Липопротеины крови 4.4. Окисление высших жирных кислот 4.5. Окисление глицерина 4.6. Биосинтез ВЖК в тканях 4.7. Обмен холестерина 5. Обмен белков 5.1. Переваривание белков 5.2. Гниение аминокислот, обезвреживание продуктов гниения 5.3. Метаболизм аминокислот 5.4. Пути обезвреживания аммиака 6. Регуляция обмена веществ 6.1. Сигнальные молекулы 6.2. Гормоны гипоталамуса 6.3. ГОРМОНЫ ГИПОФИЗА 6.4. ГОРМОНЫ ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ 6.5. ГОРМОНЫ ПАРАЩИТОВИДНЫХ ЖЕЛЕЗ 6.6. Гормоны половых желез 6.7. Гормоны надпочечников 6.8. Гормоны поджелудочной железы 7. Экзаменационные вопросы 1.1. БЕЛКИ. АМИНОКИСЛОТЫ -СТРУКТУРНЫЕ КОМПОНЕНТЫ БЕЛКОВ БЕЛКИ Белки – это азотсодержащие, высокомолекулярные органические соединения, состоящие из аминокислот, соединенных в цепи с помощью пептидных связей и имеющие сложную структурную организацию. Одни и те же аминокислоты присутствуют в различных по структуре и функциям белках. Индивидуальность белковых молекул определяется порядком чередования аминокислот в белке. Характерные признаки белков, отличающие их от других органических соединений клетки: 1 .Белки являются азотсодержащими соединениями, как многие другие компоненты клетки (нуклеиновые кислоты, некоторые липиды, углеводы), но в отличии от других органических вещества, содержание азота значительно больше – в среднем16 грамм на 100 грамм белка. 2.Структурной единицей белков являются альфа аминокислоты L-ряда. 3.Аминокислоты связаны в белках с помощью пептидных связей, образуя полипептидную цепь. 4.Белки имеют большую молекулярную массу (от 20000 до нескольких миллионов дальтон). 5.Отличаются белки сложной структурной организацией (имеют первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру). МНОГООБРАЗНЫЕ ФУНКЦИИ БЕЛКОВ: 1.Каталитическая. Многие белки являются ферментами 2.Регуляторная. Некоторые гормоны являются белками 3.Структурная. Во все структуры живой клетки входят белки. 4.Рецепторная. Белки являются обязательным компонентом рецепторов, способны узнавать другие молекулы. 5.Транпортная. Они транспортируют жиры, пигменты, гормоны, лекарственные вещества, различные гидрофобные соединения и др. 6.Опорная. Коллаген, белки костной ткани. 7.Энергетическая. Окисление 1 г белка сопровождается выделением 17,6 кДЖ энергии. В сутки 15% энергии образуется за счёт распада белков. 8.Сократительная. Эту функцию выполняют белки мышечной ткани - актин, миозин. 9.Генно-регуляторная функция гистонов. 10.Иммунологическая. Антитела являются белками. 11 .Гемостатическая. Фибриноген и другие белки плазмы крови участвуют в процессах свертывания крови. 1.1.Аминокислоты -- Структурные компоненты белков Аминокислоты - гетерофункциональные соединения. Они представляют собой производные карбоновых кислот, у которых атом водорода в альфаположении замещен на аминогруппу. Все аминокислоты, входящие в состав белков, характеризуются следующими особенностями: а) по положению аминогруппы они являются -аминокислотами (аминогруппа стоит рядом с карбоксильной группой). б) все они относятся к L-ряду, так как аминогруппа у асимметричного (хирального) атома углерода записывается слева. Исключение составляет глицин, который не имеет асимметричного атома углерода, его боковая цепь представлена атомом водорода. в) имеют одинаковый общий фрагмент и отличаются только строением боковой цепи (R), свойства которой во многом определяют свойства самих аминокислот и белков, в состав которых они входят. Именно различия в форме, размерах и полярности позволяют аминокислотам быть теми строительными блоками, которые использует эволюция, чтобы удовлетворить жесткие требования к структуре белков. г) в растворах при нейтральных значениях рН альфа-аминокислоты существуют преимущественно в виде внутренних солей. В сильно кислой среде преобладает катионная форма, в сильно щелочной – анионная. ( рис.1) В разных организмах было обнаружено множество аминокислот, не входящих в состав белков (т.н. небелковые аминокислоты). Однако все известные организмы для строительства своих белков используют одни и те же 20 аминокислот, Ф.Крик назвал их “магической двадцаткой”. Только они шифруются генетическим кодом. ˜ 1.2. Строение и классификация аминокислот Существуют различные классификации аминокислот, входящих в состав белков в зависимости от признака, положенного в основу их деления на группы. Так по химической природе боковой цепи -аминокислоты делятся на алифатические (ациклические), ароматические, гетероциклические . I. Алифатические - аминокислоты 1. Моноаминомонокарбоновые (нейтральные) Алифатические аминокислоты, содержащие в дополнительную функциональную группу. а) гидроксильную группу (оксиаминокислоты) б) карбоксильную группу (моноаминодикарбоновые ) в) амидную группу г) аминогруппу (диаминомонокарбоновые) д) серусодержащие боковой цепи II. Ароматические аминокислотыIII. Гетероциклические аминокислоты IV. Иминокислота Вместе с тем в настоящее время общепринятой является классификация аминокислот на основе признаков, свойственных R- группам, в частности, их полярности, т.е. способности R-групп взаимодействовать с водой при биологических значениях рН=7,0. Это обусловлено наличием в боковой цепи аминокислот различных функциональных групп. Так к неполярным гидрофобным группам (водоотталкивающим) относятся алкильные радикалы, бензольное кольцо. Гидрофильными (полярными) группами являются группы: -ОН, -SН, -СООН, - NН2, ядро имидазола. Гидрофильность - это свойство молекул или групп, имеющих полярную природу, легко взаимодействовать с водой. Полярные функциональные группы, способные к ионизации, называют ионогенными, они несут отрицательный заряд, если отщепляют протон или положительный заряд, если его принимают. В связи с этим все 20 аминокислот по свойствам боковой цепи можно разделить на 4 группы: 1) неполярные гидрофобные, 2) полярные неионные, 3) полярные отрицательно заряженные, 4) полярные положительно заряженные. Аминокислоты, содержащие неполярные R-группы. В боковой цепи этих аминокислот содержатся неполярные, неионные группы. К данному классу относятся алифатические аминокислоты. Глицин это самая маленькая аминокислота, содержащая в боковой цепи атом водорода, поэтому в белке её остаток не имеет ярко выраженных гидрофобных или гидрофильных свойств. Аминокислоты аланин, валин, лейцин, изолейцин - алифатические неполярные аминокислоты. По мере увеличения боковой цепи увеличивается их гидрофобность. К этой группе относятся также аминокислоты триптофан, фенилаланин, метионин и иминокислота - пролин Аминокислоты, содержащие полярные, неионные R-группы. Аминокислоты этой группы содержат в боковой цепи неионогенные группы, не способные отдавать или присоединять протон. Боковые группы этих аминокислот растворяются в воде т.к. в их состав входят полярные функциональные группы, образующие водородные связи с водой. К ним относятся серин, треонин, содержащие в боковой цепи спиртовой гидроксил, а также глутамин, аспарагин, содержащие амидные группы. К этой же группе относятся цистеин и тирозин. Эти аминокислоты содержат соответственно тиольную группу и фенольный гидроксил, способные к диссоциации, но при нейтральных значениях рН, поддерживаемых в клетках, эти группы практически не диссоциируют. Аминокислоты с полярными отрицательно заряженными R- группами. К этой группе относят аспарагиновую и глутаминовую аминокислоты, имеющие в боковой цепи дополнительную карбоксильную группу, способную к диссоциации. Следовательно, боковые группы данных аминокислот – анионы. Ионизированные формы глутаминовой и аспарагиновой кислот называют соответственно глутаматом и аспартатом. Аминокислоты с полярными положительно заряженными R-группами. Дополнительную положительно заряженную группу в боковой цепи имеют лизин, аргинин. Кроме того гистидин содержит слабо ионизированную имидазольную группу, поэтому при физиологических колебаниях значений рН (от 6,9 до 7,4) гистидин заряжен либо нейтрально, либо положительно. При увеличении количества протонов в среде имидазольная группа гистидина способна присоединять протон, приобретая положительный заряд, а при увеличении концентрации гидроксильных групп – отдавать протон теряя положительный заряд. 1.3. Уровни структурной организации белковых молекул Пептидные цепи содержат десятки, сотни и тысячи аминокислотных остатков, соединенных прочными пептидными связями. За счет внутримолекулярных взаимодействий белки образуют определенную пространственную структуру, называемую "конформация “белков. Структура белковых молекул отличается значительной сложностью и своеобразной организацией. Различают 4 уровня структурной организации белка: первичную, вторичную, третичную и четвертичную. Первичная структура – это последовательность аминокислот в полипептидной цепи, соединенных пептидными связями. К настоящему времени полностью расшифрована первичная структура многих белков: инсулина, гемоглобина, миоглобина, трипсиногена, лизоцима и др. Установлены не только межвидовые, но и выявляются индивидуальные особенности первичной структуры отдельных белков. Последовательность аминокислот в полипептидной цепи определяет последующие уровни структурной организации белка, его важнейшие физикохимические, биологические свойства и является уникальной в каждом отдельном случае (закрепленной генетически). Вторичная структура – это конфигурация полипептидной цепи в пространстве, образующаяся в результате взаимодействий между функциональными группами, входящими в состав пептидного остова. Вторичная структура белков (-спираль). Полипептидная цепь образует спираль вращением вокруг воображаемого цилиндра. Вид с торца -спирали – проекции боковых групп ориентированы произвольно. Отдельные участки полипептидной цепи существуют в виде -спирали, бета- структуры (складчатого листа), нерегулярные вторичные структуры (кольца, изгибы, петли). Вторичная структура характеризует организацию полипептидного скелета. Внешне альфа-спираль похожа на слегка растянутую спираль телефонного шнура. Термин “альфа-спираль” предложил Л. Полинг, открывший такую укладку в кератине. На один виток спирали в среднем приходится 3,6 аминокислотных остатка, а шаг спирали составляет 0,54 нм. альфаспираль стабилизируется (т.е. удерживается) с помощью большого количества водородных связей, которые образуются между атомами водорода и атомами более электоотрицательного кислорода - атомов, входящих в состав пептидных групп. Это означает, что группа С=О одной пептидной связи образует водородную связь с группой -N-Н другой пептидной связи, отстающей от первой на четыре аминокислотных остатка. Водородные связи между С=О и N-H направлены параллельно оси спирали. Водородные связи как бы сшивают спираль, удерживая полипептидную цепь в закрученном состоянии. Некоторые аминокислоты в силу строения их боковых групп препятствуют спирализации цепи. Например, пролин или оксипролин не содержат атома водорода в пептидной группе и, следовательно, не могут образовывать водородные связи. Поэтому участки полипептидной цепи, где есть пролин или оксипролин не способны к спирализации и полипептидная цепь делает изгиб “шпильку”. Структура бета - складчатого листа. Эта структура напоминает меха аккордеона. Структура складчатого листа бета – структура формируется между линейными участками одной полипептидной цепи, образуя при этом складки или между разными полипептидными цепями. Полипептидые цепи или их части могут формировать параллельные и антипараллельные альфа-структуры. Структура складчатого листа характерна для фибриллярных белков (нитевидных). Соединительные петли - это участки полипептидной цепи, которые по конформации нельзя отнести ни к -спирали, ни к -складчатому листу. В соединительных петлях не все пептидные группы участвуют в образовании водородных связей и такие участки чаще находятся на поверхности белковой глобулы, в области ее контакта с водой. Во многих белках одновременно имеются -спиральные участки, структуры и соединительные петли. Природных белков, состоящих на 100% из -спирали практически нет. Белки имеют неодинаковую степень спирализации. Высокая степень альфа-спирализации характерна для белков миоглобина, гемоглобина. Напротив, белки опорных тканей кератин , коллаген (белок сухожилий, кожи) имеют в основном -структуру. Определенные сочетания альфа-спиралей и бета-структур в некоторых белках называют супервторичной структурой белков. Они имеют специфические названия: структура «бета-бочонка», «цинковый палец» и др. Фрагмент ДНК-связывающего белка в форме «цинкового пальца» «Цинковый палец» - фрагмент белка, содержащий около 20 аминокислотных остатков, в котором атом цинка связан с боковыми группами 4 аминокислот: с двумя остатками цистеина и двумя гистидина. Два близко лежащих остатка цистеина отделены от 2 других остатков гистидина аминокислотной последовательностью состоящей из 12 аминокислотных остатков. Этот участок белка образует ? – спираль, которая может специфически связываться с регуляторными участками ДНК. Третичная структура - это способ укладки полипептидной цепи в пространстве в виде компактной упаковки, за счет связей между радикалами. Эти взаимодействия могут возникать между группами, расположенными на значительном расстоянии друг от друга и полипептидная цепь, многократно изгибаясь, складываясь, образует глобулы или фибриллы, В поддержании третичной структуры важную роль играют слабые, но многочисленные водородные связи, ионные и гидрофобные взаимодействия, а также сильные дисульфидные связи. а) Дисульфидные связи возникают между молекулами цистеина, расположенными на различных участках полипептидной цепи (идет окислительно-восстановительный процесс). б) Ионные взаимодействия возможны между различными участками полипептидной цепи, имеющими разноименно заряженные группы. Этот вид взаимодействия возможен между моноаминодикарбоновыми кислотами (асп, глу), боковые цепи которых имеют отрицательный заряд и диаминомонокарбоновыми аминокислотами (лизин, аргинин), боковые цепи которых имеют положительный заряд. в) Гидрофобные взаимодействия Полипептидная цепь укладывается таким образом, что гидрофильные боковые группы (R- группы) аминокислот обращены наружу, а гидрофобные располагаются внутри. Гидрофобные группировки, испытывая отвращение к воде, стремясь избежать соприкосновения с ней, теснее сближаются друг с другом и взаимодействуют между собой. Третичная структура - уникальное для каждого белка расположение в пространстве полипептидной цепи, зависящее от количества и чередования аминокислот, т.е. предопределенное первичной структурой. Благодаря наличию третичной структуры определяется форма белковой молекулы, характерная для каждого белка и необходимая для проявления его специфических, биологических свойств. По форме белковых молекул белки бывают двух типов: фибриллярные (нитевидные) полипептидные цепи, они расположены параллельно друг другу, глобулярные, в которых полипептидные цепи плотно свернуты и образуют компактные структуры округлой формы - глобулы. Примером фибриллярных белков являются белки соединительных тканей коллаген, эластин. Типичными глобулярными белками являются гемоглобин, миоглобин. Некоторые белки могут существовать как в глобулярной, так и в фибриллярной форме. Например, сократительный белок мышц актин. Характерным глобулярным белком является миоглобин, содержащийся в мышцах. В молекуле миоглобина имеется одна полипептидная цепь, состоящая из 153 аминокислотных остатков и ядра гема. Эта полипептидная цепь очень компактно упаковывается, образуя глобулу. Основная функция миоглобина связывание кислорода, в отличие от гемоглобина он в 5 раз быстрее связывает кислород. В этом кроется большой биологический смысл, поскольку миоглобин находится в глубине мышечной ткани (где низкое парциальное давление кислорода). Жадно связывая кислород, миоглобин создает кислородный резерв, который расходуется по мере необходимости, восполняя временный недостаток кислорода. Типы связей, участвующих в стабилизации третичной структуры. Белковые модули (домены) Обычно белки, образованные одной полипептидной цепью, представляют собой компактное образование, каждая часть которого не может функционировать и существовать отдельно, сохраняя прежнюю структуру. Однако, в некоторых случаях, при большом содержании аминокислотных остатков (более 200), в трехмерной структуре обнаруживается не одна, а несколько независимых компактных областей одной полипептидной цепи. Эти фрагменты полипептидной цепи, сходные по свойствам с самостоятельными глобулярными белками, называются модулями или доменами. Например, в дегидрогеназах два домена, один связывает НАД+ и этот домен сходен по строению у всех НАД-зависимых дегидрогеназ, а другой домен связывает субстрат и отличается по структуре у разных дегидрогеназ. Синтаза жирных кислот, представляющая одну полипептидную цепь, имеет 7 доменов, для катализа 7 реакций. Предполагается, что домены синтазы некогда объединились в один белок в результате слияния генов. Соединение модулей (доменов) в один белок способствует быстрому появлению и эволюции новых функциональных белков. Активный центр белка и взаимодействие его с лигандом. Активный центр белка – это центр связывания белка с лигандом. На поверхности глобулы образуется участок, который может присоединять к себе другие молекулы называемые лигандами. Активный центр белка формируется из боковых групп аминокислот, сближенных на уровне третичной структуры. В линейной последовательности пептидной цепи они могут находиться на расстоянии значительно удаленном друг от друга. Белки проявляют высокую специфичность при взаимодействии с лигандом. Высокая специфичность взаимодействия белка с лигандом обеспечивается комплементарностью структуры активного центра белка структуре лиганда. Комплементарность – это пространственное и химическое соответствие взаимодействующих молекул. Центры связывания белка с лигандом часто располагаются между доменами (например, центр связывания трипсина с его лигандом имеет 2 домена разделенных бороздкой). В основе функционирования белков лежит их специфическое взаимодействие с лигандами. 50000 индивидуальных белков, содержащих уникальные активные центры, способные связываться только со специфическими лигандами и, благодаря особенностям строения активного центра, проявлять свойственные им функции. Очевидно, в первичной структуре содержится информация о функции белков. Четвертичная структура - это высший уровень структурной организации, возможный не у всех белков. Под четвертичной структурой понимают способ укладки в пространстве полипептидных цепей и формирование единого в структурном и функциональном отношениях макромолекулярного образования. Каждая отдельно взятая полипептидная цепь, получившая название протомера или субъединицы, чаще всего не обладает биологической активностью. Эту способность белок приобретает при определенном способе пространственного объединения входящих в его состав протомеров. Образовавшуюся молекулу принято называть олигомером (мультимером). Четвертичную структуру стабилизируют нековалентные связи, которые возникают между контактными площадками протомеров, которые взаимодействуют друг с другом по типу комплементарности. К белкам, имеющим четвертичную структуру, относятся многие ферменты (лактатдегидрогеназа, глутаматдегидрогеназа и др.), а также гемоглобин, сократительный белок мышц миозин. Одни белки имеют небольшое число субъединиц 2 – 8, другие сотни и даже тысячи субъединиц. Например, белок вируса табачной мозайки имеет 2130 субъединиц. Типичным примером белка, имеющего четвертичную структуру, является гемоглобин. Молекула гемоглобина состоит из 4 субъединиц, т. е. полипептидных цепей, каждая из которых связана с гемом, из них 2 полипептидные цепи называются -2афьла и -2бета Они различаются первичной структурой и длиной полипептидной цепи. Связи, образующие четвертичную структуру менее прочные. Под влиянием некоторых агентов происходит разделение белка на отдельные субъединицы. При удалении агента субъединицы могут вновь объединиться и биологическая функция белка восстанавливается. Так при добавлении к раствору гемоглобина мочевины он распадается на 4 составляющие его субъединицы, при удалении мочевины структурная и функциональная роль гемоглобина восстанавливается. ˜ 1.4. Физико-химические свойства белков Физико-химические свойства белков Первичная структура белков в значительной степени определяет вторичную, третичную структуры и особенности четвертичной структуры. В свою очередь, первичная и пространственная структуры белков, их молекулярная масса, форма и размеры обусловливают их физико-химические свойства. Молекулярная масса белков достаточно большая, поэтому они относятся к высокомолекулярным соединениям. Молекулярная масса белков колеблется от 6 000 до 1 000 000 Дальтон и выше, она зависит от количества аминокислотных остатков в полипептидной цепи, а для олигомерных белков имеющих четвертичную структуру – от количества входящих в них протомеров (субъединиц). Молекулярная масса некоторых белков составляет: инсулин - 5700Д, Пепсин- 35 000Д, гемоглобин – 65 000Д. Молекулярную массу белка можно определить по скорости седиментации при ультрацентрифугировании, т.е. при ускорении 100000-500000 G . На основании этого определяют коэффициент седиментации, который обозначают S ( в честь шведского ученого СВЕДБЕРГА). Он предложил за единицу коэффициента седиментации величину 10-13. Молекулярная масса большинства белков колеблется в пределах 1-20S. Другим методом определения молекулярной массы является метод гельфильтрации (молекулярное просеивание). Используется искусственно созданные гранулы, имеющие поры (гранулы СЕФАДЕКСА). Внутрь гранулы могут проникать только соединения определённого размера: молекулы небольшого размера входят в гранулы, а большие быстрее вымываются. Молекулярная масса рассчитывается ориентировочно. Буфер не задерживается, а белок движется тем медленнее, чем меньше молекулярная масса. Белки способны связываться с лигандами. Белки специфично узнают свои лиганды, что обусловлено комплементарным строением определенного участка белка и лиганда. ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬ обеспечивается белковой частью гемоглобина. Центр связывания ЛИГАНДА называется активным центром. Это свойство лежит в основе другого метода разделения белков – аффинной хроматографии. Белки имеют различную форму, но выделяют две основных группы: глобулярные (шарообразные) и фибриллярные (веретенообразные). Глобулярные белки более компактны, в этих белках гидрофильные группы расположены преимущественно снаружи, а гидрофобные – внутри, образуя ядро. На основе различий белков в молекулярной массе, размеров и форме их можно разделить с помощью ультрацентрифугирования (по скорости седиментации), методом гель – фильтрации (молекулярного просеивания в сефадексе). Различия в первичной структуре белков, их конфигурации, молекулярной массе, размерах определяют разнообразные свойства белков. Можно выделить несколько групп физико-химических свойств. Электрохимические свойства белков. Белки — амфотерные полиэлектролиты, т. е. подобно аминокислотам они обладают кислотными и основными свойствами. Эти свойства белка обусловлены электрохимической природой R-радикалов аминокислот, входящих в состав белка. Поскольку большая часть ионогенных и полярных Rгрупп находится на поверхности белковой глобулы, то именно они определяют кислотно-основные (амфотерные) свойства и заряд белковой молекулы. Кислые свойства белку придают аспарагиновая и глутаминовая аминокислоты, диссоциация их карбоксильных групп является источником отрицательных электрических зарядов на поверхности белковой молекулы. Основные свойства белку придают лизин, аргинин, гистидин, способные к протонированию и к созданию на поверхности белковой молекулы положительных зарядов. В амфотерную природу белковой молекулы вносят вклад (хотя и несущественный) ее N- и С-концевые аминокислоты. Слабая диссоциация SНгрупп цистеина и ОН-групп тирозина весьма несущественно влияет на амфотерность белков. В целом, чем больше кислых аминокислот содержится в белке, тем сильнее выражены его кислотные свойства, тем выше суммарная плотность отрицательного заряда, и чем больше основных аминокислот, тем ярче проявляются основные свойства белка и выше плотность положительных зарядов на его молекуле. Однако следует отметить, что значения рК радикалов аминокислот колеблются в довольно широких пределах. Амфотерная природа белков обусловливает определенную буферность их растворов. Однако при физиологических значениях рН она невелика. Исключение составляют белки, содержащие большое количество гистидина, так как только боковые имидазольные группы гистидина обладают буферными свойствами в интервале значений рН, близких к физиологическим. Таких белков мало; к ним относится, например, гемоглобин животных, содержащий 8 % гистидина, обусловливающего высокую внутриклеточную буферность в эритроцитах, поддерживая рН крови на постоянном уровне. Суммарный заряд белковой молекулы определяется соотношением в ней кислотных и основных радикалов аминокислот и величиной их рК. Если в белке кислые аминокислоты преобладают над основными, то в целом молекула белка электроотрицательна, т. е. находится в форме полианиона; и наоборот, если преобладают основные аминокислоты — в форме поликатиона. Амфотерный характер белков особенно ярко проявляется при изменении рН белкового раствора. В кислой среде в результате высокой концентрации Н +ионов идет подавление кислотной диссоциации карбоксильных групп и интенсивное протонирование NH-2, —NH—, имидазольных групп — суммарный заряд белковой молекулы будет положителен; в щелочной среде при избытке ОH-ионов будет наблюдаться обратная картина: интенсивная диссоциация карбоксильных групп и депротонирование основных групп — суммарный заряд отрицателен. Естественно, что каждый белок при каком-то определенном значении рН будет иметь суммарный электрический заряд, равный нулю; такое состояние белка называется изоэлектрическим состоянием, а величина рН, обусловливающая это состояние, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ). В этой точке белок не обладает подвижностью в электрическом поле; имеет наименьшую растворимость в воде; белковые растворы обладают минимальной устойчивостью и минимальным осмотическим давлением. ИЭТ каждого белка определяется соотношением кислых и основных групп, величиной их рК: чем больше это соотношение и ниже величина рК групп, тем ниже ИЭТ белка. У кислых белков ИЭТ < 7, у нейтральных около 7, а у основных > 7; при рН < ИЭТ белок будет находиться в форме поликатиона, при рН > ИЭТ — в форме полианиона, в ИЭТ — в форме ам-фотерного полииона (цвиттер-полииона). ИЭТ большинства белков клеток животных, растений, микроорганизмов лежит в пределах 5,5—6,0, а внутриклеточная величина рН находится в пределах 7,0—7,2 (физиологическое значение рН). Следовательно, клеточные белки имеют в общем отрицательный заряд, который уравновешивается неорганическими катионами. Поскольку каждый белок в водных или буферных растворах имеет свой суммарный заряд определенной величины, это свойство белков нашло широкое применение для их разделения методом электрофореза. Он основан на передвижении заряженной частицы в электрическом поле. Движение частицы происходит в жидкой среде, которая удерживается инертным твердым носителем, например полоской бумаги, гелевой пленкой из крахмала, опарой, полиакриламидами, декстраном, ацетатом целлюлозы, что позволяет существенно снизить диффузию фракционируемых белков в отличие от электрофореза в водной среде. Жидкость же служит проводящей средой для электрического поля, когда к ней приложено внешнее напряжение. Подвижность заряженной молекулы в электрическом поле называется электрофоретической подвижностью. В разделении белков наибольшее распространение получил электрофорез в полиакриламидном геле (ПААГ), который применяется для разделения, очистки, оценки чистоты и определения молекулярной массы. Гель полиакриламидной матрицы в виде однородного тонкого слоя (а не гранул) можно поместить между двумя пластмассовыми пластинками или же заполнить этим гелем трубочки. Структура полиакриламида сшита поперечными связями, благодаря чему этот материал имеет развитую пористость. Коллоидные свойства белков Водные растворы белков — это устойчивые системы, по этому свойству их можно отнести к истинным молекулярным растворам. Однако высокая молекулярная масса белков придает им коллоидный характер. Как правило, диаметр белковых глобул превышает 0,001 мкм. Молекулы белков не способны диффундировать через полупроницаемые мембраны — целлофан. На этом явлении основана очистка белков от низкомолекулярных примесей методом диализа, очистка и концентрирование белков методом ультрафильтрации. При диализе целлофановый мешочек с раствором белка помещают в сосуд с проточной водой. Внешние стенки мешочка омываются водой. Низкомолекулярные вещества диффундируют через мембрану и удаляются вместе с водой, а белки остаются. При ультрафильтрации мембрана действует как молекулярный фильтр. Биологические мембраны живых клеток также непроницаемы для белков. Поэтому содержащиеся в протоплазменных структурах этих клеток белки создают в них определенное осмотическое давление, называемое коллоидноосмотическое или онкотическое давление. Малой скоростью диффузии обладают белки и в водных растворах, она зависит не только от молекулярной массы, но и от формы белковой молекулы. Глобулярные белки в водных растворах имеют более высокий коэффициент диффузии, чем фибриллярные. Характерными признаками коллоидного характера белковых растворов являются их опалесценция, блеск и способность рассеивать лучи света (эффект Тиндаля). Если через кювету с раствором низкомолекулярного вещества, например NaС1, пропустить пучок света, то в кювете он не будет обнаружен, раствор является «оптически пустым». Иная картина будет наблюдаться в кювете с раствором белка, при боковом освещении в ней появляется светящаяся полоса или конус. При прохождении света через раствор, содержащий белковые глобулы, радиус которых намного превышает длину волны света, будет наблюдаться дифракция света: падая на белковую глобулу, свет будет отражаться в различных направлениях. Светорассеивающая способность белков может быть использована при определении концентрации белковых растворов методами нефелометрии и турбидиметрии, основанных на сравнении интенсивности светорассеивания этих растворов. Гидратация белков Гидратация белков - способность белков связывать воду. 100 г. белка связывает 30-35 г. воды. . Вода связывается ионогенными группами и пептидными группами, расположенными в основном, внутри молекулы белка. Проникновение воды внутрь молекулы белка называется набуханием. Связывание воды ионогенными группами, расположенными на поверхности белковой молекулы, приводит к образованию гидратной оболочки. Количество связанной воды для различных белков составляет около 35 г на 100 г белка. Связанная вода в гидратной оболочке находится в упорядоченном состоянии, что приводит к уменьшению энтропии при гидратации. 1.3.4 Растворимость белков в воде Многие белки хорошо растворимы в воде, что определяется количеством полярных групп. Растворимость глобулярных молекул лучше, чем фибриллярных белков. Факторы, определяющие стабильность белковых растворов: - наличие зарядов в белковой молекуле. Одноименные заряды способствуют растворимости белка, т.к. препятствуют соединению молекул и выпадению в осадок. - Наличие ГИДРАТНОЙ оболочки, препятствующей объединению белковых молекул. Для осаждения белка, его необходимо лишить этих двух факторов устойчивости. Методом осаждения белка является вливание - осаждение белка с помощью нейтральных солей - (NH4)2-S04. В полунасыщенном растворе (NH4)2-SO4 осаждаются глобулины, а в насыщенном - альбумины. После удаления осаждающего фактора, белки переходят в растворённое состояние. Лабильность пространственной структуры белка. Под действием внешних факторов может происходить нарушение высших уровней организации белковой молекулы (вторичной, третичной, четвертичной структур) при сохранении первичной структуры. При этом белок теряет свои нативные, физико-химические и биологические свойства. Это явление называется денатурацией. Денатурацию вызывают химические факторы ( повышение температуры, давления, механическое воздействие, УЗ, ионизирующее излучение), химические факторы ( кислоты, щелочи, органические растворители -спирт, фенол; соли тяжёлых металлов).n В некоторых случаях возможна РЕНАТУРАЦИЯ, когда денатурирующий фактор действовал кратковременно и нанёс лёгкое разрушение молекуле. В последние годы установлено, что в организме есть белки предотвращающие денатурацию. ШАПЕРОНЫ - класс белков, защищающий в условиях клетки другие белки от денатурации. Они облегчают формирование пространственной конфигурации белков. К ним относятся белки теплового шока или белки стресса. 1.5. КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ В организме человека содержится свыше 50 000 индивидуальных белков, отличающихся первичной структурой, конформацией, строением активного центра и функциями. Однако до настоящего времени нет единой и стройной классификации, учитывающей различные особенности белков. В основе имеющихся классификаций лежат разные признаки. Так белки можно классифицировать: по форме белковых молекул (глобулярные – округлые или фибриллярные – нитевидные) по молекулярной массе (низкомолекулярные, высокомолекулярные) по выполняемым функциям (транспортные, структурные, защитные, регуляторные и др.) по локализации в клетке (ядерные, цитоплазматические, лизосомальные и др.) по структурным признакам и химическому составу белки делятся на две группы: простые и сложные. Простые белки представлены только полипептидной цепью, состоящей из аминокислот. Сложные белки имеют в своем составе белковую часть и небелковый компонент (простетическую группу). Однако и эта классификация не является идеальной, поскольку в чистом виде простые белки встречаются в организме редко. Характеристика простых белков. К простым белкам относят гистоны, протамины, альбумины и глобулины, проламины и глютелины, протеиноиды. Гистоны - тканевые белки многочисленных организмов, связаны с ДНК хроматина. Это белки небольшой молекулярной массы (11-24 тыс.Да). По электрохимическим свойствам относятся к белкам с резко выраженными основными свойствами (поликатионные белки), ИЭТ у гистонов колеблется от 9 до 12. Гистоны имеют только третичную структуру, сосредоточены в основном в ядрах клеток. Гистоны связаны с ДНК в составе дезоксирибонуклеопротеинов. Связь гистон-ДНК электростатическая, так как гистоны имеют большой положительный заряд, а цепь ДНК-отрицательный. В составе гистонов преобладают диаминомонокарбоновые аминокислоты аргинин, лизин. Выделяют 5 типов гистонов. Деление основано на ряде признаков, главным из которых является соотношение лизина и аргинина во фракциях, четыре гистона Н2А, Н2В, Н3 и Н4 образуют октамерный белковый комплекс, который называют «нуклеосомный кор». Молекула ДНК «накручивается» на поверхность гистонового октамера, совершая 1,75 оборота (около 146 пар нуклеотидов). Такой комплекс гистоновых белков с ДНК служит основной структурной единицей хроматина, ее называют «нуклеосома». Основная функция гистонов - структурная и регуляторная. Структурная функция состоит в том, что гистоны участвуют в стабилизации пространственной структуры ДНК, а следовательно, хроматина и хромосом. Регуляторная функция заключается в способности блокировать передачу генетической информации от ДНК к РНК. Протамины - своеобразные биологические заменители гистонов, но отличаются от них составом и структурой. Это самые низкомолекулярные белки (М - 4-12 тыс. Да), обладают резко выраженными основными свойствам из-за большого содержания в них аргинина (80%). Как и гистоны, протамины - поликатионные белки. Они связываются с ДНК в хроматине спермиев и находятся в молоках рыб. Сальмин - протамин из молоки лосося. Скумбрин - из молоки скумбрии. Протамины делают компактной ДНК сперматозоидов, т.е. выполняют как и гистоны, структурную функцию, однако не выполняют регуляторную. Альбумины и глобулины. Альбумины (А) и глобулины (Г). А и Г белки, которые есть во всех тканях. Сыворотка крови наиболее богата этими белками. Содержание альбуминов в ней составляет 40-45 г/л, глобулинов 20-30 г/л, т.е на долю альбуминов приходится более половины белков плазмы крови. Альбумины-белки относительно небольшой молекулярной массы (15-70 тыс. Да); они имеют отрицательный заряд и кислые свойства, ИЭТ - 4,7, содержат много глутаминовой аминокислоты. Это сильно гидратированые белки, поэтому они осаждаются только при большой концентрации водоотнимающих веществ. Благодаря высокой гидрофильности, небольшим размерам молекул, значительной концентрации альбумины играют важную роль в поддержании осмотического давления крови. Если концентрация альбуминов ниже 30 г/л, изменяется осмотическое давление крови, что приводит к возникновению отеков. Около 75-80 % осмотического давления крови приходится на долю альбуминов. Характерным свойством альбуминов является их высокая адсорбционная способность. Они адсорбируют полярные и неполярные молекулы, выполняя транспортную роль. Это неспецифические переносчики они транспортируют гормоны, холестерол, билирубин, лекарственные вещества, ионы кальция. Связывание и перенос длинноцепочных жирных кислот - основная физиологическая функция сывороточных альбуминов. Альбумины синтезируются преимущественно в печени и быстро обновляются, период их полураспада 7 дней. Глобулины - белки с большей, чем альбумины молекулярной массой. Глобулины слабокислые или нейтральные белки ( ИЭТ = 6 – 7,3 ). Некоторые из глобулинов обладают способностью к специфическому связыванию веществ (специфические переносчики). Возможно фракционирование белков сыворотки крови на альбумины и глобулины методом высаливания с помощью (NH4)2SO4. В насыщенном растворе осаждаются альбумины как более легкая фракция, в полунасыщенном – глобулины. В клинике широкое распространение получил метод фракционирования белков сыворотки крови путем электрофореза. При электрофоретическом разделении белков сыворотки крови можно выделить 5–7 фракций: Характер и степень изменения белковых фракций сыворотки крови при различных патологических состояниях представляет большой интерес для диагностических целей. Уменьшение альбуминов наблюдается в результате нарушения их синтеза, при дефиците пластического материала, нарушении синтетической функции печени, поражении почек. Содержание глобулинов увеличивается при хронических инфекционных процессах. Электрофорез белков сыворотки крови. Проламины и глютелины. Это группа растительных белков, которые содержатся исключительно в клейковине семян злаковых растений, где выполняют роль запасных белков. Характерной особенностью проламинов является то, что они не растворимы в воде, солевых растворах, щелочах, но растворимы в 70% растворе этанола, в то время как все другие белки выпадают в осадок. Наиболее изучены белки глиадин (пшеница) и зеин (кукуруза). Установлено, что проламины содержат 20-25% глутаминовой кислоты и 10-15 % пролина. Эти белки, например, глиадин, в норме у человека расщепляются, но иногда при рождении фермент, расщепляющий этот белок, отсутствует. Тогда этот белок превращается в продукты распада, обладающие токсическим действием. Развивается заболевание целиакия - непереносимость растительных белков. Глютелины – тоже растительные белки, не растворимые в воде, в растворах солей, этаноле. Они растворимы в слабых щелочах. Протеиноиды. Белки опорных тканей ( костей, хрящей, сухожилий, связок ), кератины - белки волос, рогов, копыт, коллагены - белки соединительной ткани, эластин - белок эластических волокон. Все эти белки относятся к фибриллярным, не гидролизуются в желудочно кишечном тракте. Коллаген составляет 25-33 % от общего количества белка организма взрослого человека или 6 % от массы тела. Пептидная цепь коллагена содержит около 1000 аминокислотных остатков, из которых каждая 3-я аминокислота – глицин, 20% составляют пролин и гидроксипролин, 10% аланин. При формировании вторичной и третичной структур этот белок не может давать типичных -спиралей, поскольку аминокислоты пролин и оксипролин могут давать только одну водородную связь. Поэтому полипептидная цепь на участке, где находятся эти аминокислоты, легко изгибается, так как не удерживается, как обычно, второй водородной связью. Эластин – это основной структурный компонент эластических волокон, которые содержатся в тканях обладающих значительной эластичностью (кровеносные сосуды, связки, легкие). Свойства эластичности проявляются высокой растяжимостью этих тканей и быстрым восстановлением исходной формы и размера после снятия нагрузки. В составе эластина содержится много гидрофобных аминокислот (глицина, валина, аланина, лейцина, пролина). СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ Сложные белки кроме полипептидных цепей содержат в своем составе небелковую (простетическую) часть, представленную различными веществами. В зависимости от химической природы небелковой части выделяют следующие группы сложных белков: хромопротеины углевод – белковые комплексы липид – белковые комплексы нуклеопротеины фосфопротеины 1.6.1. ХРОМОПРОТЕИНЫ Хромопротеины – это сложные белки, простетическая часть которых представлена окрашенным компонентом (от греч. Chromos – краска). К ним относятся биологически важные белки гемоглобин, миоглобин, а также некоторые ферменты: каталаза, пероксидаза, цитохромы, все они являются гемпротеинами, так как простетическая часть их содержит гем. Гемоглобин (Нв). Гемоглобин имеет четвертичную структуру, молекулярная масса его 66-68 тыс.Да. Как следует из названия Нв представляет собой соединение гема с белком глобином. Это олигомерный белок, состоящий из 4 субъединиц (протомеров), соединенных нековалентными связями (гидрофобные, ионные взаимодействия, водородные связи). Субъединицы Нв «узнают» друг друга благодаря присутствию на их поверхности комплементарных по форме участков. Каждая из субъединиц или полипептидных цепей обозначается буквами, их 4 у Нв взрослого человека (Нв А), эти цепи называются альфа () и бета () . Каждая молекула Нв А содержит по две - и по две -цепи. Они различаются первичной структурой и длиной полипептидной цепи: - цепи содержат по 141 аминокислотному остатку, цепи по 146. Каждый из протомеров гемоглобина представляет собой природный координационный комплекс. В нем комплексообразователем служит Fe 2+ . Его координационное число равно 6. Поэтому ион железа связан с 6 лигандами. 4 лиганда являются пиррольными кольцами протопорфирина. Пятая связь затрачивается на соединение с белком глобином через аминокислоту гистидин, а 6 координационная связь используется для связывания с кислородом или другими газообразными веществами (СО2, СО). Строение гема. Внутри каждого протомера имеется гидрофобный "карман", в котором располагается гем, способный присоединять кислород. Схема молекулы гемоглобина. Основная функция гемоглобина – перенос кислорода из легких к периферическим тканям. Первая молекула кислорода изменяет конформацию протомера, к которому она присоединилась. Поскольку этот протомер соединен многими связями с другими протомерами, изменяется конформация и сродство других протомеров к лигандам. Это явление называют кооперативностью изменения конформации протомеров. Изменение конформации таковы, что сродство гемоглобина ко 2-й молекуле кислорода увеличивается. В свою очередь присоединение 2-ой, а затем и 3-ей молекулы кислорода, так же изменяет конформацию и облегчает присоединение следующих молекул кислорода. Сродство гемоглобина к 4-ой молекуле кислорода примерно в 300 раз больше чем к 1-ой. Модель молекулы гемоглобина. Кроме кислорода, молекула гемоглобина может быть связана с другими лигандами. Например, при соединении Hb с оксидом углерода (II) (угарный газ СО), образуется карбоксигемоглобин (НвСО). Причем гемоглобин имеет большее сродство к угарному газу чем к кислороду. Поэтому если в воздухе содержится угарный газ, гемоглобин легче с ним связывается и теряет способность связывать кислород. Наступает смерть от удушья, от недостаточного снабжения тканей кислородом. Возможно образование еще одного производного гемоглобина карбгемоглобина, когда гемоглобин связывается с СО2 . Однако СО2 связывается не с гемом, а присоединяется к NH2 – группам глобина. Образование карбгемоглобина используется для выведения СО2 из тканей к легким. Этим путем выводится 10-15% СО2. Типы гемоглобинов. Гемоглобины могут различаться по белковой части. Различают физиологические и аномальные типы гемоглобинов. Физиологические типы образуются на разных этапах нормального развития организма, а аномальные вследствие нарушения последовательности аминокислот в белке глобине физиологических типов гемоглобина. Физиологические типы гемоглобинов отличаются друг от друга набором полипептидных цепей или субъединиц, образующихся на разных этапах развития организма человека – от эмбрионального до взрослого состояния. Различаются следующие физиологические типы гемоглобинов: а) примитивный НвР, появляется на самых ранних стадиях развития эмбриона (1 – 2 недели) Эмбриональный гемоглобин – тетрамер б) фетальный гемоглобин НвF (от лат. Fetus – плод). НвF является главным типом гемоглобина плода и составляет к моменту рождения 70% всего гемоглобина – это тетрамер ( в) гемоглобин взрослого НвА, НвА2, НвА3 ( от лат. Adultus – взрослый ). НвА появляется на более поздних стадиях развития плода, в крови взрослого человека примерно 95 – 96% НвА – это тетрамер (2?, 2?). Гемогловин А2 – тетрамер . Его содержание в эритроцитах взрослого человека равно 2%. Аномальные гемоглобины. Их обнаружено более 200 и отличаются они составом цепей или заменой аминокислот в полипептидных цепях. Из аномальных гемоглобинов часто встречается HвS или серповидно-клеточный Нв. Он обнаруживается у больных серповидно-клеточной анемией. Это широко распространенное заболевание в странах Южной Америки, Африки и ЮгоВосточной Азии. При этой патологии эритроциты в условиях низкого парциального давления кислорода принимают форму серпа. Гемоглобин S отличается по ряду свойств от нормального гемоглобина. После отдачи кислорода в тканях он превращается в плохо растворимую форму и начинает выпадать в осадок в виде веретенообразных кристаллоидов. Последние деформируют клетку и приводят к массивному гемолизу. Химический дефект при серповидно-клеточной анемии сводится к замене в белке одной аминокислоты на другую. В норме в - субъединицах тетрамерной структуры гемоглобина в шестом положении со стороны N – конца находится глутаминовая аминокислота, боковая группа которой имеет отрицательный заряд и характеризуется высокой гидрофильностью. При серповидно-клеточной анемии глутаминовая аминокислота заменена на гидрофобную аминокислоту – валин. Однако одной этой замены оказалось достаточно не только для нарушения формы эритроцита, но и для развития болезни. Миоглобин также относится к хромопротеинам. Это белок, имеющий третичную структуру. Вторичная и третичная структура миоглобина и протомеров гемоглобина очень сходны. Функции миоглобина и гемоглобина одинаковы. Оба белка участвуют в транспорте кислорода. Гемоглобин присоединяет кислород из альвеолярного воздуха и доставляет его в ткани. Миоглобин присоединяет кислород, доставленный гемоглобином и служит промежуточным звеном в транспорте кислорода внутри клетки к митохондриям, а также для запасания кислорода в тканях, создавая кислородный резерв, который расходуется по мере необходимости. В условиях интенсивной мышечной работы, когда парциальное давление кислорода в тканях падает, кислород освобождается из комплекса с миоглобином и используется в митохондриях клеток для получения энергии, необходимой для работы мышц. УГЛЕВОД – БЕЛКОВЫЕ КОМПЛЕКСЫ Это комплексы белков с небелковой частью, представленной углеводными компонентами. Смешанные макромолекулы этого типа делятся на : ГЛИКОПРОТЕИНЫ (ГП) ПРОТЕОГЛИКАНЫ ГП - это сложные белки, содержащие олигосахаридные (гликановые) цепи, ковалентно связанные с белковой основой. К этой группе химических соединений относятся многие белки внешней поверхности цитоплазматических мембран и большинство секретируемых белков. ГП могут содержать до 40% углеводов, но как правило, в молекуле преобладает белковая часть. Короткие углеводные цепи ГП построены из глюкозамина, галактозамина, глюкозы, галактозы. Наиболее значимые моносахариды в составе ГП – N – ацетилглюкозамин, N – ацетилгалактозамин, N – ацетилнейраминовая (сиаловая) кислота. Число коротких углеводных цепей в ГП может доходить до 300-800. Длина и степень разветвленности углеводных цепей значительно варьирует. В составе одной олигосахаридной цепи находится не более 15-20 моносахаридных остатков. ГП присутствуют во всех классах белков – ферментах, гормонах, транспортных, структурных белках. Представители ГП – коллаген, эластин, иммуноглобулины. Углеводный компонент, даже небольшой по массе, сообщает качественно новые свойства молекуле белка гликопротеинов. Для гликопротеинов характерна термостабильность, в отличие от простых белков ГП выдерживают высокие и низкие температуры без изменения физико-химических свойств. ГП в отличие от других белков с трудом перевариваются протеолитическими ферментами. Углеводная часть придает белку большую специфичность. Это своего рода векторные группы сложных белков, «узнающие» участки других структур (макромолекул, поверхности клеток). ГП быстрее выводятся из клетки и находятся, как правило, вне клетки. Гликопротеины выполняют следующие функции : 1. Функция избирательного взаимодействия высокоспецифического узнавания. Клеточные ГП, находящиеся на поверхности мембран, участвуют в очень тонких процессах биологического узнавания и межклеточного взаимодействия, выполняя роль рецепторных систем для определенных соединений и клеток. 2. Транспортная роль. ГП осуществляют транспорт гидрофобных веществ и ионов металлов. Так функцию переносчика железа выполняет ГП – трансферрин; меди – церуллоплазмин; стероидных гормонов – транскортин. 3. Каталитическая. Углеводный компонент обнаружен в составе некоторых ферментов: энтерокиназа, пероксидаза, глюкозооксидаза, холинэстераза. 4. Функция защитной смазки. Гликопротеины являются составными веществами муцинов слюны, желудочного и кишечного муцинов. 5. Участвуют в процессе свертывания крови. Протромбин, фибриноген – являются белками свертывающей системы крови. ПРОТЕОГЛИКАНЫ. Это углевод-белковые комплексы, углеводный компонент которых представлен гетерополисахаридами, построенными из большого числа повторяющихся единиц. В отличие от гликопротеинов, которые содержат только несколько процентов углеводов ( по массе ), протеогликаны могут содержать до 95 % и более углеводов. Кроме того, по свойствам они ближе к углеводам, чем к белкам. Белки в протеогликанах представлены одной полипептидной цепью разной молекулярной массы. В состав протеогликанов входят кислые гетерополисахариды (гликозамингликаны) линейного строения. Они построены из повторяющихся дисахаридных единиц – димеров. Одним из компонентов этих димеров является Д-глюкуроновая кислота. В составе притеогликанов содержатся следующие гетерополисахариды: гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты, гепарин (строение гетерополисахаридов смотри в разделе 3-4). Гиалуроновая кислота состоит из повторяющихся единиц (димеров) включающих Д-глюкуроновую кислоту и N-ацетилглюкозамин. Хондроитинсульфаты содержат структурные единицы из глюкуроновый кислоты и сульфатированного N-ацетилгалактозамина. Протеогликаны являются обязательными компонентами межклеточного матрикса, играют важную роль в межклеточных взаимодействиях, формировании и поддержании формы клеток и органов, образовании каркаса при формировании тканей. Благодаря особенностям структуры и физико-химическим свойствам протеогликаны выполняют в организме следующие функции: - являются структурными компонентами межклеточного матрикса; - являясь поликатионами они могут присоединять, кроме воды большие количества катионов (Na+, K+, Ca2+) и таким образом участвовать в формировании тургора различных тканей; - протеогликаны играют роль молекулярного сита в межклеточном матриксе и препятствуют распространению патогенных микроорганизмов. Эта группа полисахаридов представляет собой сильно гидратированные, желеподобные, липкие вещества, имеющие значительный отрицательный заряд. Все они находятся в межклеточном веществе, но не в свободном состоянии, а связаны с белками. Такие смешанные макромолекулы называются протеогликанами, поскольку основные свойства этих макромолекул определяются углеводной, а не белковой частью. ЛИПИД – БЕЛКОВЫЕ КОМПЛЕКСЫ Это комплексы белков с липидными компонентами, их условно подразделяют на две группы: 1. Свободные липопротеины. Липопротеины плазмы крови, молока, растворимы в воде. 2. Структурные протеолипиды. Входят в состав биомембран, растворимы в жирах. Липид – белковые комплексы в качестве небелковой части содержат липидные компоненты. Высшие жирные кислоты Предельная С17 Н35 СООН Стеариновая Пальмитиновая С15 Н31 СООН Олеиновая С17 Н33 СООН С17 Н31 СООН С17 Н29 СООН С19Н29СООН Линолевая Линоленовая Арахидоновая 1.Свободные липопротеины. Содержатся в плазме крови, все они имеют разную плотность (от 0,92 до 1,21 кг/л) благодаря липидному компоненту. В крови человека присутствуют несколько фракций ЛП, отличающихся по плотности, что связазано с различным соотношением липидного и белкового компонента в молекуле. ФРАКЦИИ ЛП: А) Хиломикроны ( ХМ ). Это самая низкая по плотности фракция, т.к. в составе их преобладают липидные комплексы и на долю белка приходится до 2 %. Плотность 0,95 кг/л. Хиломикроны появляются в сыворотке крови после приема жирной пищи; Б) Липопротеины очень низкой плотности ( ЛПОНП ).или пре-липопротеины, их плотность 0,94 – 1,006 кг/л; В) Липопротеины низкой плотности ( ЛПНП ) или -липопротеины. Плотность их 1,006 – 1,063 кг/л; Г) Липопротеины высокой плотности (ЛПВП ) или -липопротеины.Плотность их 1,063 – 1,210 кг/л. В составе их преобладает белковый компонент. РОЛЬ СВОБОДНЫХ ( ПЛАЗМЕННЫХ ) ЛИПОПРОТЕИНОВ. Свободные ЛП играют транспортную роль, поэтому их называют транспортными формами липидов. Благодаря своей растворимости в водной среде они могут переносить липиды, поступающие в кровь при всасывании из кишечника, а также распределять липиды между тканями, одни из которых их синтезируют, а другие используют. ЛП переносят триацилглицеролы, фосфолипиды, стероиды, а также небольшое количество жирорастворимых витаминов, -каротина. В настоящее время доказана роль фракций липопротеинов в патогенезе атеросклероза – они называются атерогенными ЛП. К ним относятся ЛПНП и ЛПОНП, а фракцию ЛПВП называют антиатерогенной, так как её увеличение препятствует развитию атеросклероза. 2.Структурные липопротеины ( протеолипиды ). Они входят в состав биологических мембран и растворяются в неполярных растворителях (хлороформ, метанол). Причина такого поведения протеолипидов в том, что белок составляет сердцевину их молекулы, а оболочку образует липидный компонент. Содержание белка в протеолипидах 65 – 85 %. Они обнаружены в сердце, почках, легких, скелетных мышцах. В клетках перечисленных органов они представляют основу биологических мембран, образуя двойной липидный слой, в формировании которого участвуют фосфо- и гликолипиды. Состав протеолипидов в различных органах неодинаков. НУКЛЕОПРОТЕИНЫ Нуклепротеины – это сложные белки, небелковая часть которых представлена нуклеиновыми кислотами. Поскольку нуклеиновые кислоты бывают двух типов, нуклеопротеины делятся по составу на 2 группы: рибонуклеопротеины и дезоксирибонуклеопротеины. Нуклеиновые кислоты – это высокомолекулярные соединения, состоящие из мононуклеотидов, т.е. их структурной единицей является мононуклеотид (нуклеотид). Каждый нуклеотид включает 3 химически различных компонента: моносахарид, азотистое основание, остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды, входящие в РНК и ДНК, отличаются друг от друга по составу. Соединение основания и пентозы называют нуклеозидом, связь между пентозой и азотистым основанием ( - гликозидная) образована - первым атомом углерода пентозы с первым атомом азота в пиримидиновых нуклеозидах и девятым атомом азота в пуриновых нуклеозидах. Нуклеотиды представляют собой соединения нуклеозидов с фосфорной кислотой (связь сложно – эфирная). В составе РНК и ДНК по 4 нуклеозидмонофосфата (нуклеотида). Номенклатура наиболее распространенных нуклеотидов. РИБОНУКЛЕОЗИДМОНОФОСФАТЫ: 1. Аденозинмонофосфат ( АМФ ), адениловая кислота. 2. Гуанозинмонофосфат ( ГМФ ), гуаниловая кислота. 3. Цитидинмонофосфат ( ЦМФ ), цитидиловая кислота. 4. Уридинмонофосфат (УМФ), уридиловая кислота ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕОЗИДМОНОФОСФАТЫ: 1. д.Аденозинмонофосфат ( д.АМФ ). 2. д.Гуанозинмонофосфат ( д.ГМФ ). 3. д.Цитидинмонофосфат ( д.ЦМФ ). 4. Тимидинмонофосфат ( д.ТМФ ). Структура нуклеиновых кислот. Первичные структуры РНК и ДНК построены однотипно, они представляют собой линейные полимеры – полинуклеотиды, состоящие из мононуклеотидов, соединенных 3',5' – фосфодиэфирными связями. При этом сложноэфирная связь образована фосфатным остатком одного мононуклеотида и 3' – гидроксильной группой пентозного остатка другого мононуклеотида (3',5' – фосфодиэфирная связь). Концы полинуклеотидов различаются по структуре: на одном конце имеется свободная 5' – фосфатная группа (5' – конец), на другом – свободная 3' – ОН - группа (3' – конец). Уникальность структуры и функциональная индивидуальность молекул ДНК и РНК определяется их первичной структурой. Вторичная структура ДНК. Особенностью нуклеотидного состава ДНК является то, что число адениловых нуклеотидов равно числу цитидиловых: А=Т, Г=Ц, следовательно, А+Г=Т+Ц, т.е. число пуриновых нуклеотидов равно числу пиримидиновых (правила Чаргаффа). Такие соотношения не свойственны РНК. Исходя из правил Чаргоффа о нуклеотидном составе ДНК и из рентгеноструктурных исследований, Дж. Уотсон и Ф. Крик (Великобритания) предложили модель строения ДНК (1953) Согласно этой модели молекула ДНК представляет собой двойную спираль, образованную двумя полинуклеотидными цепями, закрученными относительно друг друга и вокруг общей оси. Двойная спираль правозакрученная, полинуклеотидные цепи в ней антипараллельны, т.е. если одна из них ориентирована в направлении 3' 5' , то вторая – в направлении 5' 3'. Поэтому на каждом из концов молекулы ДНК расположены 5' – конец одной цепи и 3' – конец другой цепи. Все основания цепей ДНК (гидрофобные по свойствам) расположены внутри двойной спирали, а пентозы и остатки фосфорной кислоты – снаружи. Полинуклеотидные цепи удерживаются относительно друг друга за счет водородных связей, образующихся за счет специфического взаимодействия между парами комплементарных оснований. Комплементарными являются А и Т, они образуют две водородные связи, а также Г и Ц образуют три водородные связи. Кроме водородных связей в стабилизации вторичной структуры ДНК участвуют гидрофобные взаимодействия возникающие за счет гидрофобных азотистых оснований, обращенных внутрь спирали. Гидрофобные взаимодействия вносят основной вклад в стабилизацию двойной спирали, больший чем водородные связи между цепями. Рибозофосфатные связи располагаются по периферии, образуя ковалентный остов спирали Особенности структуры РНК. Первичная структура РНК аналогична первичной структуре ДНК и представляет полинуклеотидную цепь, состоящую из мононуклеотидов, соединенных 3' 5' – фосфодиэфирными связями. Вторичная структура РНК. Молекулы РНК построены из одной полинуклеотидной цепи. Отдельные участки цепи РНК образуют спирализованные петли "шпильки", за счет водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями А-У и Г-Ц. Участки цепи РНК в таких спирализованных участках антипараллельны, но не всегда полностью комплементарны. Наличие спирализованных участков характерно для всех типов РНК. Такие спирализованные участки содержат небольшое число нуклеотидных пар (до 20-30) и чередуются с неспирализованными участками. Основные типы РНК. По особенностям структуры и функциям различают 3 типа рибонуклеиновых кислот – транспортные РНК (тРНК), матричные РНК (мРНК) и рибосомальные РНК (рРНК). Они различаются по первичной структуре, молекулярной массе, конформации, продолжительности жизни и по функциональной активности. 1. Транспортные РНК (тРНК) Пространственную структуру тРНК, независимо от различий в последовательности нуклеотидов, описывают универсальной моделью "клеверного листа". В каждой молекуле тРНК есть участки цепи, не участвующие в образовании водородных связей между нуклеотидными остатками. К ним в частности, относят участок, ответственный за связывание с аминокислотой на 3'-конце молекулы и антикодон – специфический триплет нуклеотидов, взаимодействующий комплементарно с кодоном мРНК. Транспортные РНК составляют около 15% всей РНК клетки, они участвуют в транспорте аминокислот. Строение транспортных РНК. Рибосомные РНК (рРНК) – компоненты рибосом. На долю рРНК приходится около 80% всей РНК клетки. 2. Матричные РНК (мРНК) составляют около 2% от всей РНК клетки. Матричные РНК называются также информационными РНК (иРНК). Третичная структура нуклеиновых кислот. Одноцепочные РНК характеризуются компактной и упорядоченной третичной структурой, возникающей путем взаимодействия спирализованных участков вторичной структуры. Третичная структура РНК стабилизируется ионами двухвалентных металлов, например ионами Mg2+. Исследование некоторых ДНК вирусов митохондрий, хлоропластов при помощи физических, физико-химических методов показало, что двойная спираль ДНК на некоторых участках может подвергаться дальнейшей спирализации с образованием суперспирали или открытой кольцевой формы. Суперспиральная структура (суперскрученная) обеспечивает экономную упаковку огромной молекулы ДНК в хромосоме вместо 8 см длины, которую она могла бы иметь в вытянутой форме, в хромосоме человека молекула ДНК настолько плотно упакована, что ее длина укладывается в 5 нм. Имеющиеся данные о структуре тРНК свидетельствуют о том, что нативные молекулы тРНК имеют примерно одинаковую третичную структуру, которая отличается от плоской структуры «клеверного листа» большей компактностью, образованной за счет складывания различных частей молекулы. ФОСФОПРОТЕИНЫ. Фосфопротеины – это сложные белки, содержащие в своем составе в качестве простетической части фосфорную кислоту. Фосфорная кислота связана сложно 1. – эфирной связью с белковой частью молекулы через гидроксильные группы оксиаминокислот (серин, треонин). Установлено, что фосфопротеины в клетках синтезируются в результате фосфорилирования при участии протеинкиназ. К фосфопротеинам относится казеиноген молока, который представляет собой белок с сильно выраженными гидрофильными свойствами. Казеиноген в молоке находится в виде кальциевой соли. Поэтому организм получает с молоком необходимые аминокислоты, кальций, лабильно связанный фосфор, находящиеся в казеиногене. 1.6. Углеводы. Классификация углеводов Термин “углеводы”, предложенный в XIX столетии, был основан на предположении, что все углеводы содержат три элемента – углерод, водород и кислород, соотношение последних как в воде, и элементарный состав можно выразить формулой Сn (Н2О)m. Однако по мере открытия новых углеводов обнаружили, что не все они удовлетворяют этой формуле. Термин “углеводы” устарел и не отражает ни химической природы, ни состава этих соединений, однако предложенный для них термин "глициды” не получил распространения. Характерным отличительным признаком углеводов является наличие в их составе не менее двух гидроксильных групп и карбонильной (альдегидной или кетонной) группы, т. е. углеводы это полиоксикарбонильные соединения и их производные. Углеводы - наиболее распространенный в природе класс органических соединений. Функции углеводов в клетках весьма разнообразны. Они служат источником и аккумулятором энергии клеток, выполняя структурную роль, они в виде гликозамингликанов входят в состав межклеточного матрикса, участвуют во многих метаболических процессах. Моносахариды - это углеводы, которые не подвергаются гидролизу, т.е. не распадаются на более простые сахара. Олигосахариды - сложные углеводы, которые содержат от 2 до 10 остатков моносахаридов. Полисахариды являются высокомолекулярными соединениями, макромолекулы которых содержат сотни и тысячи моносахаридных остатков либо одного типа (гомополисахариды), либо разных типов (гетерополисахариды). 2.2. Моносахариды В основе классификации моносахаридов лежат два признака: Наличие функциональных групп. Количество атомов углерода в составе моносахаридов. В зависимости от положения в молекуле карбонильной группы моносахариды разделяются на альдозы и кетозы. Альдозы содержат альдегидную группу, тогда как кетозы содержат кетогруппу. В зависимости от числа углеродных атомов выделяются следующие группы моносахаридов: триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы и т.д. Открытые (незамкнутые) формы моносахаридов изображаются в виде проекционных формул Фишера. Молекулы моносахаридов содержат несколько центров хиральности (С*) и принадлежат к соединениям L- или D-ряда. Относительная конфигурация моносахаридов определяется по конфигурационному стандарту – глицериновому альдегиду. Моносахариды относятся к D-ряду, если ОН-группа при нижнем хиральном атоме углерода стоит справа и к L-ряду, если ОН группа стоит слева. Поэтому гидроксил, стоящий при нижнем хиральном атоме, называется D-, Lопределяющим. В водном растворе находятся как открытые, так и циклические формы моносахаридов. Циклические формы пятичленные (фуранозные) и шестичленные (пиранозные) гетероциклы. Названия циклов происходят от названия родственных соединений – фурана и пирана Циклические формы моносахаридов являются полуацеталями. Они образуются за счет внутримолекулярного взаимодействия между карбонильной и гидроксильной группами моносахарида. В циклической форме возникает новый центр хиральности,а также новый гидроксил – полуацитальный. Это приводит к образованию еще пары изомеров, которые называются аномерами. Для циклических форм моносахаридов приняты перспективные формулы Хеуорса, в которых циклы изображаются в виде плоских многоугольников, лежащих перпендикулярно плоскости рисунка. Атом кислорода располагается в пиранозном цикле в дальнем правом углу, в фуранозном – за плоскостью цикла. Символы атомов углерода в циклах не пишутся. Для перехода от Фишеровских проекционных формул к формулам Хеуорса нужно иметь в виду следующее: атомы и группы атомов находящиеся в формулах Фишера слева от углеродной цепи, в формулах Хеуорса располагаются над плоскостью цикла; заместители расположенные справа – под плоскостью. Учитывая выше изложенное наиболее важные моносахариды в формулах Хеуорса имеют следующий вид. Производные моносахаридов Модификация имеющихся групп или введение новых заместителей в молекулу моносахаридов дает различные их производные. Они используются для построения разнообразных полимерных углеводов. Некоторые из производных являются промежуточными продуктами обмена. Сиаловые кислоты во многом определяют взаимодействие лиганда с рецепторами клеточных мембран. Изменение содержания сиаловых кислот на клеточной поверхности сопровождает дифференцировку клеток и развитие патологического процесса. Избыточным количеством сиаловых кислот на поверхности мембран объясняют многие свойства опухолевых клеток, десиалирование рецепторов мембран гепатоцита приводит к развитию атеросклероза. 2.3. Олигосахариды К олигосахаридам относятся сложные углеводы, имеющие от 2 до 10 звеньев моносахаридов соединенных гликозидными связями. Среди наиболее распространенных олигосахаридов следует отметить дисахариды – мальтозу, лактозу, сахарозу. Они отличются друг от друга составом моносахаридов, типом гликозидной связи, свойствами. Лактоза и мальтоза относятся к восстанавливающим дисахаридам. Гликозидная связь в них образуется за счет полуацетальной (гликозидной) ОНгруппы одного моносахарида и спиртовой группой другого моносахарида. В этих дисахаридах имеется свободная полуацетальная окси-группа. Они обладают восстанавливающими свойствами, т.е. дают положительную реакцию Троммера с гидроксидом меди (II), что сопровождается образованием осадка кирпично-красного цвета (оксида меди-I-(Сu2О)). В отличие от мальтозы и лактозы сахароза относится к невосстанавливающим дисахаридам, т.к. гликозидная связь в молекуле сахарозы образуется за счет полуацетальных ОН-групп обоих моносахаридов. Поэтому сахароза не содержит свободного гликозидного гидроксила, она не может переходить в открытую карбонильную форму и поэтому не дает реакции на альдегидную группу (реакцию Троммера). Мальтоза (солодовый сахар) образуется при расщеплении крахмала в кишечнике. Содержится в больших количествах в солоде и солодовых экстрактах, отсюда и получила свое название "солодовый сахар". В растворе мальтоза может быть в открытой и циклической форме. Мальтоза состоит из остатков ?, D-глюкопиранозы и D-глюкозы, связь между ними ? (1> 4) гликозидная. Лактоза – молочный сахар; важнейший дисахарид молока. В коровьем молоке содержится до 5% лактозы, в женском молоке – до 8%. Лактоза состоит из ?, D-галактопиранозы и D-глюкозы, связь ?-1,4-гликозидная, поскольку в лактозе содержится свободный полуацетальный гидроксил, она относится к восстанавливающим сахарам Лактоза применяется в фармацевтической промышленности при изготовлении порошков и таблеток, т.к. она менее гигроскопична чем сахар Сахароза - растворимый дисахарид сладкого вкуса. Содержится в сахарной свекле, сахарном тростнике. Сахароза не содержит свободного полуацетального гидроксила, поэтому относится к невосстанавливающим сахарам. 2.4. Гомополисахариды (ПС). Структурные различия между полисахаридами определяются: - строением моносахаридов, составляющих цепь - типом гликозидных связей, соединяющих мономеры в цепь - последовательностью остатков моносахаридов в цепи. В зависимости от строения остатков моносахаридов полисахариды делятся на гомополисахариды, макромолекулы которых состоят из моносахаридных остатков одного вида, гетерополисахариды содержат разные моносахариды. В зависимости от выполняемых функций ПС делят на 3 группы: - резервные ПС, выполняющие энергетическую роль. Эти ПС служат источником глюкозы. ПС менее растворимы чем моносахариды, следовательно они не влияют на осмотическое давление и поэтому могут накапливаться в клетке, например, крахмал – в клетках растений, гликоген – в клетках животных; - структурные ПС; - ПС, входящие в состав межклеточного матрикса, принимают участие в образовании тканей, а также в пролиферации и дифференцировке клеток. ПС межклеточного матрикса водорастворимы и сильно гидратированы. К гомополисахаридам относятся крахмал, гликоген, клетчатка. Крахмал – главный резервный полисахарид растений, образуется в растениях в процессе фотосинтеза и запасается в клубнях картофеля, зернах злаковых растений до 45%от массы сухого вещества. Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов, построенных из остатков альфа, Dглюкопиранозы: амилозы (10-20%) и амилопектина (80-90%), общая формула крахмала (С6Н10О5)n. Амилоза имеет линейное строение, остатки ?, D- глюкопиранозы в ней соединены с помощью ? (1> 4) гликозидных связей. Длина цепей 200-300 звеньев молекулярная масса 160 тыс Д. Макромолекула амилозы свернута в спираль. Синяя окраска при добавлении йода к раствору крахмала обусловлена наличием такой спирали. Амилопектин – разветвленный полисахарид с молекулярной массой около 1 млн. Да примерно через 20-25 моносахаридных звеньев у него имеются точки ветвления, образованные альфа (1> 6)-гликозидными связями. Коллоидные растворы амилопектина дают с йодом красно-фиолетовое окрашивание. Гликоген – представляет главный энергетический и углеводный резерв человека и животных. Особенно велико его содержание в печени (до 10%) и мышцах (до 4 %). Гликоген – это разветвленный полимер, образованный остатками ?, Dглюкопиранозы. В цепи связи между ними ? (1> 4)-гликозидные, а в точках ветвления альфа (1> 6)-гликозидные, т.е. гликоген напоминает амилопектин, однако он имеет большую степень ветвления чем амилопектин и придает ему большую компактность. Молекулярная формула гликогена (С6Н10О5)n. Целлюлоза (клетчатка) – основной структурный полисахарид растений. Она нерастворима в воде, химически инертна. Целлюлоза состоит из остатков бета – глюкопиранозы. Связи между ними ? (1> 4)-гликозидные. Целлюлоза не перваривантся в организме человека, так как в пищеварительном тракте нет ферментов, гидролизующих ? (1> 4)-гликозидные связи, однако она необходима как компонент для нормального пищеварения. 2.5. Гетерополисахариды Гликозамингликаны – линейные отрицательно заряженные гетерополисахариды. Раньше их называли мукополисахаридами, так как они обнаруживались в слизистых секретах (мукоза) и придавали этим секретам вязкие смазочные свойства. Эти свойства обусловлены тем, что гликозамингликаны могут связывать большие количества воды, в результате чего межклеточное вещество приобретает желеобразный характер. Гликозамингликаны представляют собой длинные неразветвленные цепи гетерополисахаридов, построеныые из повторяющихся дисахаридных единиц – димеров. Одним мономером этих димеров является гексуроновая (глюкуроновая, галактуроновая) кислота, вторым мономером могут быть гексозамины (глюкозамин или галактозамин), аминогруппа которых обычно ацетилирована. Основными гликозамингликанами являются: гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты, кератансульфаты, гепарин. Гиалуроновая кислота построена из повторяющихся единиц, включающих глюкуроновую кислоту и N - ацетилглюкозамин . Гиалуроновая кислота связывает воду, поэтому межклеточное пространство приобретает характер желеобразного «матрикса», способного поддерживать клетки. Структура гиалуроновой кислоты в виде геля является своеобразным биологическим фильтром, задерживая крупные частицы и молекулы, попавшие в организм. В клетках организма содержится специальный фермент – гиалуронидаза, который, выделяясь в межклеточное пространство, может повышать межклеточную проницаемость. Поэтому гиалуронидазу называют фактором проницаемости. В здоровом организме гиалуроновая кислота и гиалуронидаза находятся в равновесии. При некоторых заболеваниях активность фермента повышается и гиалуроновая кислота разрушается. Гиалуронидазу секретируют некоторые патогенные микроорганизмы, это способствует распространению патологического роцесса на соседние ткани. Препараты этого фермента используются в медицинской практике для рассасывания рубцов. Глюкуроновая кислота содержится в разных органах. Много ее в коже, стекловидном теле глаза, хрящах, синовиальной жидкости суставов. В тканях и жидкостях ГК образует комплекс с белком. Однако доля белка колеблется от 2 до 20 – 30 %. Хондроитинсульфаты. Это гетерополисахариды линейного строения, состоящие из большого количества димерных фрагментов, в состав которых входят 2 углеводных компонента: глюкуроновая кислота и сульфатированный N – ацетилгалактозамин. Гепарин состоит из повторяющихся единиц, содержащих глюкуроновую кислоту, и N – ацетилглюкозамин, сульфатированный в 4 – или 6 – положении глюкозного остатка. Гепарин – естественный антикоагулянт (противосвертывающее средство), синтезируется в печени. Он обнаруживается на поверхности многих клеток, однако является внутриклеточным компонентом тучных клеток. В отличие от остальных гетерополисахаридов, гепарин не является структурным компонентом межклеточного вещества. Он вырабатывается тучными клетками соединительной ткани и выделяется при их распаде (цитолизе) в межклеточное пространство и кровеносное русло. В крови гепарин нековалентно соединяется со специфическими белками. Комплекс гепарина с гликопротеинами плазмы прявляет противосвертывающую активность. Кератансульфаты – наиболее гетерогенные гликозамингиканы, отличаются друг от друга по суммарному содержанию углеводов и распределению в разных тканях. Кератансульфаты обнаружены в роговице глаза, хрящевой ткани, костях, межпозвонковых дисках 1.7. Липиды Липиды Термин «ЛИПИДЫ» объединяет вещества, обладающие общим физическим свойством – гидрофобностью, т.е. нерастворимостью в воде. По структуре липиды – соединения разного химического строения. Их разделяют на классы, в которые объединяют молекулы, имеющие сходное химическое строение и общие биологические свойства. Основную массу липидов в организме составляют жиры – триацилглицеролы, служащие формой депонирования энергии. ФОСФОЛИПИДЫ – большой класс липидов, содержащих остаток фосфорной кислоты, придающей им свойства амфифильности. Благодаря этому свойству фосфолипиды формируют бислойную структуру мембран, в которую погружены белки. СТЕРОИДЫ, представленные в животном мире холестеролом и его производными, выполняют разнообразные функции. 4.1. Жирные кислоты и ацилглицеролы. ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ. Жирные кислоты – структурные компоненты различных липидов. Жирные кислоты липидов человека представляют собой углеводородную неразветвленную цепь на одном конце которой находится карбоксильная группа, а на другом – метильная группа. Большинство жирных кислот в организме содержит четное число атомов углерода от 16 до 20. Среди них есть насыщенные – пальмитиновая и стеариновая кислоты. Жирные кислоты, содержащие двойные связи, называют ненасыщенными – моноеновые (с одной двойной связью) и полиеновые (с двумя и большим числом двойных связей). Двойные связи в жирных кислотах в организме человека имеют цисконфигурацию. Насыщенные кислоты Пальмитиновая С15Н31СООН СН3 – (СН2)14СООН Стеариновая С17Н35СООН СН3 – (СН2)16СООН Непредельные Олеиновая С17Н33СООН (моноеновая) СН3 – (СН2)7 – СН = СН – (СН2)7 – СООН Полиеновые Линолевая С17Н31СООН (2 двойные связи) Линоленовая С17Н29СООН (3 двойные связи) Арахидоновая С19Н29СООН (4 двойные связи) Большинство жирных кислот синтезируется в организме, однако полиеновые кислоты (линолевая и линоленовая) не синтезируются и должны поступать с пищей. Эти жирные кислоты называют незаменимыми или эссенциальными. Основную массу липидов в организме составляют триацилглицеролы – жиры, которые являются сложными эфирами трехатомного спирта глицерола и жирных кислот. Глицерол может быть связан с одной или двумя жирными кислотами, образуя моно- и диацилглицеролы, которые образуются на промежуточных этапах распада и синтеза триацилглицеролов. В молекуле природного жира содержатся разные жирные кислоты. Жиры, содержащие преимущественно насыщенные кислоты, являются твердыми (говяжий, бараний жиры), а содержащие большое количество ненасыщенных жирных кислот – жидкими. Жидкие жиры или масла обычно имеют растительное происхождение. Так, например, говяжий и бараний жиры содержат от 50 до65% насыщенных кислот. В подсолнечном масле преобладает линолевая кислота (до 68%), а в оливковом масле содержится в основном олеиновая кислота (до 85%). Из животных пищевых жиров наиболее насыщен бараний жир, который практически не содержит незаменимых кислот. Ценными пищевыми жирами являются рыбий жир и растительные масла, содержащие полиеновые жирные кислоты. В организме рыб незаменимые жирные кислоты не синтезируются, рыбы получают их с пищей (водосли, планктон). по заместительной номенклатуре названия триацилглицеролов строятся путем перечисления ацильных остатков начиная с первого атома углерода с добавлением суффикса – оил и слова глицерол. Например, ацильный остаток стеариновой кислоты называется – стеароил, пальмитиновой – пальмитоил, олеиновой – олеоил, линолевой – линолеоил, линоленовой – линоленоил. Тривиальная номенклатура нейтральных жиров основана на названиях входящих в их состав жирных кислот. Триацилглицерол является смешанным, если содержит радикалы разных жирных кислот. Если в триацилглицероле содержится радикалы одинаковых кислот, он является простым. 4.2. Фосфолипиды и сфинголипиды 4.2.1.ФОСФОЛИПИДЫ Фосфолипиды – группа липидов, содержащих в своем составе остаток фосфорной кислоты. Фосфолипиды делят на глицерофосфолипиды, основу которых составляет глицерол и сфингофосфолипиды – производные аминоспирта сфингозина. Фосфолипиды являются основой всех клеточных мембран, образуют поверхностный гидрофильный слой липопротеинов крови. Глицерофосфолипиды – это производные глицерола, в котором первый и второй атомы углерода связаны сложно-эфирными связями с остатками жирных кислот, а третий атом углерода этерифицирован фосфорной кислотой, к которой в свою очередь могут быть присоединены различные заместители, чаще всего аминоспирты. Основой фосфолипидов является фосфатидная кислота. небольшом количестве, но является промежуточным продутом на пути синтеза триацилглицеролов и глицерофосфолипидов. У глицерофосфолипидов первый атом углерода глицерола этерифицирован предельными жирными кислотами, второй непредельными, чаще полиеновыми. Основные глицерофосфолипиды: фосфатидилэтаноламин, фосфатидилхолин, фосфатидилсерин, фосфатидилинозит. Строение их однотипно и отличаются они только компонентом, связанным с фосфорной кислотой. Фосфатидилинозиты Фосфотидилхолины и фосфотидилэтаноламины в наибольшем количествевстречаются в организме человека, эти две группы глицерофосфолипидовметаболически связаны друг с другом и являются главными липидными компонентамимембран клеток. Сфинголипиды Сфинголипиды – производные аминоспирта сфингозина. Аминоспирт сфингозинсостоит из 18 атомов углерода, содержит гидроксильные группы и аминогруппу.Примером сфинголипидов служат церамиды и сфингомиелины. Вцерамидахспирт сфингозинсвязан с жирными кислотами необычной (амидной связью), а гидраксильные группыспособны взаимодействовать с другими радикалами. Следует отметить, что жирныекислоты, входящие в состав церамидов содержат большое количество атомов углерода– от 18 до 26. СфингомиелиныN–ацильные производныесфингозина, аминогруппа в которых ацилирована жирной кислотой, а гидроксил упервого атома углерода ацилирован фосфорилхолиновой группой, поэтому их можно отнести кфосфолипидам. В клетке сфингомиелины – основные компоненты миелина и мембран клетокмозга и нервной ткани. Некоторые патологические состояния связаны с изменениемсодержания сфингомиелинов. Так, увеличение содержания сфингомиелинов в стенкахаорты отмечено при атеросклерозе. Церамиды - основа большой группы липидов –гликолипидов, которые содержат в своем составе углеводный компонент. Гликолипидынаходятся в основном в мембранах клеток нервной ткани – это цереброзиды иганглиозиды. Церебразиды имеют в своем составе моносахариды чаще галактозу илиглюкозу. Ганглиозиды наиболее сложные по составу липиды. Они содержат несколькоуглеводных остатков, среди которых присутствуетNацетилнейраминовая кислота. Стероиды Стероиды – производныециклопентанпергидрофенантрена. В организме основной стероид – холестерол,остальные стероиды – его производные. Холестерол входит в состав мембран ивлияет на структуру бислоя, увеличивая её жесткость. Из холестероласинтезируются желчные кислоты, стероидные гормоны и витамин Д3. Нарушение обменахолестерола приводит к развитию атеросклероза. Холестерол может бытьэтерифицирован по гидроксильной группе с жирными кислотами, образуя эфирыхолестерола. В неэтерифицированном виде холестерол входит в состав мембран различныхклеток. В крови 2/3 холестерола находится в этерифицированной форме и 1/3 – ввиде свободного холестерола. Эфиры холестерола служат формой его депонирования внекоторых клетках (печени, коры надпочечников, половых желез). 1.8. Витамины ВИТАМИНЫ В середине XIX века сложились представления о пищевой ценности белков, жиров, углеводов, минеральных веществ и воды. Однако экспериментальные исследования клинические наблюдения свидетельствовали о необходимости в пище еще каких-то, неизвестных в тот период, компонентов. В 1880 году Н.И. Лунин провел исследование с мышами, одна группа мышей получила в пищу белки, жиры, углеводы, минеральные вещества, выделенные из продуктов, а другая группа – цельные продукты. В первой группе животные заболевали и погибали, а во второй группе – почти не болели и все остались живы. Эти опыты привели к заключению, что помимо белков, жиров, углеводов, минеральных веществ необходимы еще какие-то незаменимые компоненты пищи. Врачи Японии, Индонезии отмечали в своей практике, что пациенты, употребляющие, в основном, полированный рис чаще страдали полиневритами. Эйкманн провел исследование на курсах, у которых развивалось заболевание бери-бери. Если для корма кур использовался очищенный рис, то полиневриты развивались у 1 из 40 кур, а при потреблении неочищенного риса – у 1 из 10000 кур. Основываясь на этих результатах, польский ученый К.Функ изучал химические компоненты поверхностных слоев риса и в 1911 году выделил из рисовых отрубей соединение, содержащее аминогруппу. Это соединение необходимо для нормальной жизнедеятельности и назвал его амином жизни, т.е. витамином (vita- жизнь). В дальнейшем выяснилось, что многие витамины не содержат аминогруппу, но термин «витамины» сохранился. Согласно современным представлениям, витамины это необходимые для нормальной жизнедеятельности низкомолекулярные органические соединения, синтез которых в организме отсутствует или ограничен. Витамины являются незаменимыми компонентами пищи. Некоторые витамины синтезируются микрофлорой кишечника. От других химических компонентов пищи витамины отличаются по следующим признакам: - не выполняют пластической функции, т.е. не включаются в структурные компоненты клетки (мембраны, митохондрии, ядро, лизосомы и т.д.). - не играют энергетической роли, не используются как источник энергии. - не синтезируются или синтезируются в ограниченных количествах. - выполняют специфические функции, которые не заменяются другими соединениями. - дефицит витаминов приводит к появлению специфических нарушений обмена веществ, с характерными клиническими проявлениями. - суточная потребность витаминов невысокая, она измеряется в мг или мкг. По некоторым признакам близки к витаминам витаминоподобные соединения, но они синтезируются в организме, хотя часто возникает их дефицит. Классификация витаминов: Все витамины разделяют по растворимости на две группы: жирорастворимые – А, Д, Е, К и водорастворимые – С, Р, В1, В2, РР, (В3) В5, В6, В9(10), В12, Н. Отдельную группу составляют витаминоподобные вещества – холин, инозит, липоевая кислота, прааминобензойная кислота (ПАБК), убихинон (КоQ), пангамовая кислота и т.д. Номенклатура витаминов. Общепринято буквенное обозначение витаминов (А, D, Е, К, С, Р, В1 и т.д.). Однако появились различные обозначения, индексы у одного и того же витамина, с одной и той же химической структурой. Так витамин РР – никотиновую кислоту одни авторы обозначают - В9, другие – В10, а третьи - ВС. Поэтому более точное обозначение витамина - это его химическое название: витамин А –ретинол, витамин С – аскорбиновая кислота, витамин РР – никотинамид или никотиновая кислота и т.д. Кроме того, в медицине часто используются клинические названия витаминов, которые включают название характерного клинического проявления авитаминоза с приставкой – анти. Например, витамин А имеет химическое название ретинол и клиническое название – антиксерофтальмический витамин, витамин D носит клиническое название – антирахитный, витамин В12 – антианемический витамин и т.д. Роль витаминов в обмене веществ. Витамины необходимы для нормального протекания различных биохимических и физиологических процессов. 1. Многие витамины являются предшественниками коферментов. Эту роль выполняют почти все водорастворимые витамины: - витамин В1 (Тимин) входит в состав ТДФ (тиаминдифосфата) кофермента декарбоксилаз альфа-кетокислот. - витамин В2 (рибофлавин) является компонентом ФМН (флавинмононуклеотида) и ФАД (флавинадениндинуклеотида) кофермента аминотрансфераз и декарбоксилаз аминокислот и т.д. 2. Некоторые витамины являются сильными антиоксидантами, препятствуют активации свободнорадикальных процессов (витамины Е, А – жирорастворимые антиоксиданты, витамины С и Р – водорастворимые антиоксиданты). 3. Производные жирорастворимых витаминов А и Д являются сигнальными молекулами, так как действуют через рецепторы. Витамин А (ретинол) превращается в организме в сигнальную молекулу - ретиноевую кислоту,а витамин Д (холекальциферол) - в гормон кальцитриол. 4.Некоторые витамины (аскорбиновая кислота) участвуют в образовании сигнальных молекул – нейромедиаторов и гормонов. 5.Отдельные витамины (ВС, В12) участвуют в синтезе незаменимых аминокислот (метионина). Так как витамины участвуют в определенных биохимических процессах и выполняют специфические функции, то их дефицит в организме приводит к развитию патологических состояний с характерными клиническими проявлениями. Патологические состояния обусловленные изменением уровня витаминов в организме называют авитаминозами, гиповитаминозами, полигиповитаминозами и гипервитаминозами. Авитаминоз – это патологическое состояние, вызванное отсутствием витамина в организме. Гиповитаминоз – патологическое состояние, вызванное недостатком витамина в организме. Чаще встречаются состояния, обусловленные дефицитом не одного, а нескольких витаминов в организме. Такие состояния называются полигиповитаминозы. Избыточное поступление витаминов и их накопление в организме может привести к развитию гипервитаминоза. Водорастворимые витамины легко выводятся с мочой и возможен небольшой их резерв в организме. Если витамин В12 задерживается на несколько лет, витамин С на несколько месяцев. В отличие от водорастворимых витаминов, жирорастворимые витамины могут накапливаться в организме и их избыток может привести к развитию гипервитаминоза. Однако помимо перечисленных патологических состояний чаще встречается состояние предболезни. Это состояние называется недостаточная витаминная обеспеченность, при котором отсутствуют характерные клинические проявления, но наблюдается снижение работоспособности, повышенная утомляемость, сонливость, увеличение частоты и длительности заболевания. Причины развития гиповитаминозов могут быть различны. Выделяют первичные, вторичные и врожденные причины: 1. Первичная – недостаточное поступление витаминов с пищей 2. Вторичные причины – 2.1. – снижение аппетита 2.2. – повышенный расход витаминов (стресс, инфекции, физические нагрузки и т.д.) 2.3. – нарушение всасывания и утилизации витаминов (заболевания желчевыводящих путей и печени, энтероколиты и др.) 2.4. – использование антибактериальных препаратов (антибиотиков, сульфаниламидов) приводит к гибели кишечной микрофлоры, синтезирующей некоторые витамины 2.5. – применение структурных аналогов витаминов, - антивитаминов и лекарственных средств ингибирующих метаболизм витаминов (аспирин препятствует действию фолиевой кислоты, аминазин тормозит включение В2 в структуру ФАД, противотуберкулезные препараты связывают активную форму витамина В6 – ПФ). 3. Врожденные дефекты ферментов, участвующих в превращениях витаминов. Значительно чаще гиповитаминозов и авитаминозов встречаются состояния недостаточной витаминной обеспеченности без характерных клинических проявлений. По данным НИИ питания, у 80-90% населения обнаруживается дефицит аскорбиновой кислоты, у 40-60% - недостаток витаминов В1, В2, В6, фолиевой кислоты, каротина. Характеризуя состояние витаминной обеспеченности в настоящее время, можно выделить следующие особенности: 1 – чаще возникает, дефицит не одного, а нескольких витаминов (полигиповитаминозы). 2 – недостаточность витаминов возникает не только зимой и ранней весной, а в течение всего года, постоянно. 3-массовое распространения дефицитов витаминов во все периоды жизни. Недостаточное потребление витаминов снижает физическую и умственную работоспособность на 15-20%,повышает частоту и длительность заболеваний на 25-40%, увеличивает риск сердечно-сосудистых заболеваний и онкологических заболеваний. Дефицит антиоксидантов (витаминов Е, А, С) является фактором риска онкологических заболеваний, развития атеросклероза. Аскорбиновая кислота необходима для гидрогенизирования холестерина и его превращения в желчные кислоты, она препятствует образованию из нитратов в желудочно-кишечном тракте канцерогенов-нитрозаминов. Причиной массового распространения недостаточной витаминной обеспеченности являются не только экономические факторы, низкое качество питания, но и ряд других факторов, характерных для населения всех стран, в том числе, и экономически развитых. Каковы же причины недостаточной витаминной обеспеченности населения в современных условиях в экономически развитых странах? 1.Снижение энергозатрат, вызывающие необходимость уменьшения потребления пищи. Известно, что в начале 20 века энергозатраты составляли 3500-4000 килокалорий, а в настоящее время в век гиподинамии – 2000-2500 ккал. Так как объем пищи должен соответствовать энергозатратам, то с их уменьшением, снижается и объем пищи и, соответственно, поступление витаминов. Неоднократно подсчитано, что при сбалансированном рационе по белкам (97,5 г.), жирам (91,4 г.), углеводам (343,8 г.) и калорийности – 2600 ккал поступает недостаточно витаминов и минералов (табл. ). Рацион взрослого человека Завтрак яичница (2 яйца, слив.масло 10г) Содержание творог (100г) витаминов: бутерброд (хлеб 100г, слив. масло 10г) С – 30 мг (40%) кофе (сахар 20г) В1 – 0,96 мг (65%) салат (огурцы 100г, помидоры 50г, раст. В2 – 1,.5 мг (88%) Обед В3 – 13,2 мг (66 масло 10г) В4 – 1,.3 мг (65%) суп-лапша (кур. мясо 30г, вермишель 30г) В6 – 142 мкг (71%) говядина с гарниром (мясо 100г, картофель А – 2579 МЕ (78%) отв. 150г, раст. масло 15г) и минералов: яблочный сок (200 мл) железо – 9,7 мг (54%) хлеб (150г) медь – 1,25 мг (84%) йогурт (125г) Ужин каша гречневая (150г) яблоко (150г) чай (чахар20г) Кроме того, в последнее столетие увеличилось потребление рафинированных, высококалорийных, но бедных витаминами продуктов (кондитерские изделия, сахар, белый хлеб, спиртные напитки, рафинированное масло и т.д.). В развитии недостаточной обеспеченности витаминами определенную роль играет использование в настоящее время пищевых продуктов, подвергнутых интенсивной технологической обработки, консервированию и длительному хранению. Таким образом, рацион современного человека, достаточный по калорийности, не может удовлетворить в ряде витаминов и минеральных веществ, и продукты питания должны быть дополнительно обогащены витаминами или необходимо принимать витаминные препараты в профилактических дозах. Так как витамины являются незаменимыми пищевыми компонентами, то использование итаминных препаратов в профилактических дозах нельзя сравнивать с применением лекарственных средств. Витамины не являются стимуляторами или регуляторами обмена веществ, а чудодейственный эффект проявляется только при их дефиците в организме. 1.8.1. Жирорастворимые витамины Жирорастворимые витамины. Витамин А химическое название - ретинол, клиническое название антиксерофтальмический. Ретинол состоит из кольца бета-ионона и боковой цепи содержащий два остатка изопрена и первичную спиртовую группу, представляет собой циклический непредельный одноатомный спирт. В продуктах витамин А может находится в виде эфировретинилпалбмитата, ретинилацетата, ретинилфосфата. В организме ретинол окисляется в активные формы альдегидное производное - ретиналь (вместо спиртовой группы в 15 положении альдегидное и далее окисляется альдегидная группа до карбоксильной (-СООН) и образуется ретиноевая кислота. В растительных продуктах содержится провитамины А-каратиноиды, наиболее эффективные - ?-каротин, который содержит 2-кольца ?-иона и 4 остатка изопрена. Каротины в слизистой кишечника и в печени превращаются в активную форму витамина А под влиянием каротин-диоксигеназы. Ретинол содержит двойные связи, которые легко разрушаются при хранении и доступе кислорода. Биологические эффекты витамина А. Основные биологические эффекты витамина А обусловлены его производными - ретиналем и ретиноевой кислотой. К этим эффектам витамина А относят: 1.Участие в процессах адаптации зрения в темноте. Известно, что сетчатка глаз содержит 2 типа рецепторных клеток палочки и колбочки, первые содержат зрительный пигмент родопсин, а вторые йодопсин. Оба пигмента отличаются белковым компонентом, но простетическая часть одинаковая -11-цис-ретиналь, производное витамина А. Витамин А (ретинол, его транс-форма)в тканях окисляется под влиянием алкогольдегидрогеназы и кофермента НАД+ с образованием транс-ретиналя и НАД•Н+Н+. Транс-ретиналь превращается при участии ретинальизомеразы в цисретиналь, последний в темноте соединяется с белком оксином, образуя родопсин, что обеспечивает повышение светочувствительности клеток сетчатки глаза при слабом освещении. Под действием кванта света происходит фотоизомеризация 11-цис-ретиналя в транс-ретиналь в составе родопсина. После этого превращения родопсин распадается на транс-ретиналь и опсин. В результате этих процессов происходит местная деполяризация мембраны светочувствительных клеток сетчатки и возникает нервный импульс, распространяющийся по нервному волокну. После распада родопсина снижается чувствительность глаза к свету. В темноте происходитрегенерацияродопсина:транс-ретиналь>трансретинол>цис-ретинол>цис-ретиналь, который соединяется с опсином и вновь образуется родопсин 2. Другое производное витамина А-ретиноевая кислота - участвует в регуляции деления дифференцировки быстро пролиферирующих (делящихся) тканей-хрящя, костной ткани, сперматогенного эпителия и плаценты, эпителия кожи и слизистых, стимулирует рост и дифференцировку клеток развивающегося организма-эмбриона, молодого организма. Эти эффекты ретиноевой кислоты объясняют стимуляцией определённых генов. Ретиноевая кислота, как сигнальная молекула, обладает гидрофобными свойствами, проникает через плазматическую мембрану и взаимодействует с рецепторами в ядре клеток-мишеней. Образовавшийся комплекс гормон-рецептор связывается с определёнными участками ДНК и стимулирует транскрипцию генов. 3. В структуре витамина А много ненасыщенных связей, что способствует его участию в окислительно-восстановительных Известно, что сетчатка глаза содержит 2 типа рецепторных клеток палочки и колбочки, первые содержат зрительный пигмент родопсин, а вторые йодопсин. Оба пигмента отличаются белковым компонентом,но простетическая часть одинаковая-11-цис-ретиналь,производное витамина А. Витамин А9ретинол,его трас форма) в тканях окисляется под влиянием алкогольдегидрогеназы и кофермента НАД+ с образованием транс ретиналя и НАД•Н+Н+. Транс-ретиналь превращается при участии ретинальизомеразы в цисретиналь,последний в темноте соединяется с белком оксином, образуя родопсин, что обеспечивает повышение светочувствительность клеток сетчатки глаза при слабом освещении.Под действием кванта света происходит фотоизомеризация 11-цис-ретиналя в транс-ретиналь в составе родопсина.После этого превращения родопсин распадается на транс-ретиналь и опсин. В результате этих процессов происходит местная деполяризация мембраны светочувствительных клеток сетчатки и возникает нервный импульс, распространяющийся по нервному волокну.После распада родопсина снижается чувствительность глаза к свету.В темнотепроисходитрегенерацияродопсина:транс-ретиналь>транс-ретинол>цисретинол>цис- ретиналь,который соединяется с опсином и вновь образуется родопсин.(рис.1.) 2. Другое производное витамина А – ретиноевая кислота – участвует в регуляции деления и дифференцировки быстро пролиферирующих (делящихся) тканей - хряща, костной ткани, сперматогенного эпителия и плаценты, эпителия кожи и слизистых, стимулирует рост и дифференцировку клеток развивающегося организма – эмбриона, молодого организма. Эти эффекты ретиноевой кислоты объединяют стимуляцией определенных генов. Ретиноевая кислота, как сигнальная молекула, обладающая гидрофобными свойствами, проникает через плазматическую мембрану и взаимодействует с рецепторами в ядре клеток-мишеней. Образовавшийся комплекс гормон-рецептор связывается с определенными участками ДНК и стимулирует транскрипцию генов. 3. В структуре витамина А много ненасыщенных связей, что обуславливает его участие в окислительно-восстановительных процессах, антиокислительные свойства. Обладая гидрофобностью витамин А, снижает интенсивность свободно-радикального окисления липидов (перекисного окисления липидов (ПОЛ)), повышает эффект других антиоксидантов – витамина Е. Гипо- и авитаминоз Так как витамин А и его производные участвуют в светочувствительных процессах зрения, то наиболее ранним признаком недостаточности является нарушение адаптации зрения в сумерках, темнте, затем развивается авитаминоз – ночная слепота («куриная» слепота) – гемералопия. Из-за участия ретиноевой кислоты в процессах роста и развития в молом возрасте недостаток витамина А проявляется задержкой роста. Харктерно для авитаминоза А нарушение процсессов эпителизации, развивается ороговение эптелия выводных протоков слезных желез, что приводит к сухости роговицы (ксефтальмии). Из-за недостатка слезы, обладающей бактериацидным действием, развивается воспаление конъюктивиты, под действием микрофлры происходит изъязвление и размягчение роговицы – ксератомаляция. Отсутствие лечения может вызвать поражение эпителия (бельмо) и полной потери зрения – слепоте (амблиопии). Авмтаминоз А может вызвать поражение эпителия различных органов (желудочно-кишечного тракта, кожи, дыхательного аппарата, мочеполовой системы). Причины гиповитаминоза и авитаминоза А. 1. Недостаток в пище (голодание). 2. Нарушение всасывания липидов в кишечнике. 3. Заболевания печени, при которых нарушаются процессы превращения провитаминов (каротинов) в витамин А. 4. Повышенная потребность в витамине (у водителей транспорта, работающих в ночное время). Суточная потребность витамина А составляет 1,0-2,5 мг у взрослого человека и от 2 до 5 мг ?-каротинов. Источники: Витамин А содержится только в животных продуктах: печени крупного рогатого скота, яичном желтке, сливочном масле, особенно богат витамином А рыбий жир. В растительных продуктах содержится провитамины А – каротиноиды. Их много в продуктах красного цвета – моркови, томатах, перце, меньше в свекле. В слизистой оболочке кишечника и в печени содержится фермент каротиндиоксигеназа, превращающий каратиноиды в активность форму – витамин А. Витамин Д (антирахитический витамин). Свойствами этого витамина обладает группа стероидов, называемая кальциферолами. Наиболее активны витамины Д2 и Д3. Витамин Д2 – эргокальциферол, производные эргостерина, встречающегося в растительных продуктах (в растительном масле, а также в дрожжах и в грибах). Витамин Д3 – холекальциферол, производное 7-дегидрохолестерина, имеющийся в организме человека и животных. Активные формы – кальциферолы образуются из своих предшественников под действием ультрафиолетового облучения. Роль в обмене веществ. Основной источник витамина Д в организме это, содержащийся в коже, 7дегидрохолестерин, который под влиянием ультрафиолетовых лучей превращается в холекальциферол (витамин Д3). Эта форма витамина соединяется с белком и транспортируется в печень, где гидроксилируется под влиянием 25-гидролазы и образуется 25-гиддроксихолекальциферол (25-ОН Д3). Дальнейшее гидроксиирование происходит в почках, где образуется из 25гидрохолекальциферола под влиянием 1-ОН гидроксилазы 1,25дигидроксихолекальциферол или кальцитриол. Эта активная форма витамина Д является сигнальной молекулой, так как действует через рецепторы и некоторые авторы относят ее к гомонам. Активность 1-?-гидроксилазы почек повышается под влиянием паратгормона. Таким образом паратгормон регулирует образование кальцитриола, который также выполняет роль сигнальной молекулы, участвуя в регуляции уровня Са2+ и фосфатов в крови органы мишени кальцитриола – кишечник, почки и кости. Так как кальцитриол является стероидом, то он проникает через мембрану и связывается с внутриклеточными рецепторами. Биологическая роль кальцитриола: 1. Стимуляция всасывания Са2+ в кишечнике путем увеличения синтеза в эритроцитах кальцийсвязывающего белка – кальбиндина Д. В результате этого повышается концентрация Са2+ во внеклеточной жидкости. 2. Способствует минерализации (кальцификации) костной ткани, поддерживая высокую концентрацию Са2+ и Р во внеклеточной жидкости. 3. Увеличивает реабсорбцию Са2+ и Р в почках. При связывании кальцитриола с рецепторами остеобластов увеличивается синтез кальцийсвязывающих белков (КСБ), остеокальцина и повышается активность щелочной фосфатазы, что способствует процессам кальцификации. При низкой концентрации Са2+ в крови кальцитриол стимулирует мобилизацию Са2+ из костей. Гиповитаминоз и авитаминоз Д. При недостатке витамина Д в организме, нарушении синтеза кальцитриола из предшественников или из-за дефекта рецепторов кальцитриола в клетках-мишенях нарушается всасывание кальция в кишечнике, реабсорбция его в почках. Это приводит к снижению кальция во внеклеточной жидкости и в крови. Снижение концентрации Са2+ в крови стимулирует секрецию паратгормона и вследствие этого мобилизацию ионов кальция из кости. Недостаточная минерализация костной ткани и усиление в ней процессов мобилизации кальция приводит к развитию рахита, при котором поражаются кости черепа, деформируются трубчатые кости ног (х-образные или о-образные голени). Грудная клетка вместе с грудиной при рахите выступает вперед (килевидная, птичья грудная клетка), наблюдаются «четки» на ребрах. Недостаток кальция приводит к снижению тонуса мышц, что проявляется у детей увеличением и выпячиванием живота. К ранним признакам гиповитаминоза Д у детей относятся нарушения скорости зарастания родничков, задержка прорезывания зубов. У взрослых гиповитаминоз Д проявляется остеомаляцией, у женщин во время беременности при гиповитаминозе увеличивается поражение зубов кариесом, в крови увеличивается активность щелочной фосфатазы. При избыточном поступлении в организм витамина Д может развиться гипервитаминоз, который характеризуется избыточным отложением солей кальция в тканях легких, почек, сердца, стенках сосудов. При гиповитаминозе развивается остеопороз, который проявляется частыми переломами костей. Гипервитаминозы встречаются значительно реже, чем гиповитаминозы, которые особенно часто развиваются у детей грудного возраста. Причины гиповитаминозов Д. 1. Недостаточное поступление витамина с пищей, особенно при искусственном вскармливании детей грудного возраста. 2. Недостаточная инсоляция приводит к нарушению превращения 7дегидрохолестерина в холекальциффол (рахит – «болезнь подвалов»). 3. Нарушение всасывания витамина в тонком кишечнике. 4. Недостаток паратгормона. Таким образом, рахит – это не только дефицит витамина Д3 в пище, а нарушение любого из всех процессов его превращения. Профилактика рахита заключается в достаточном солнечном облучении ребенка или использование небольших доз витамина Д. Суточная потребность витамина 12-25 мкг (500-1000 МЕ). Потребность в витамине Д различна в разные возрастные периоды, она больше у детей и уменьшается у взрослых. Источники витамина. Этот жирорастворимый витамин содержится в наибольших количествах в продуктах животного происхождения: яичный желток, сливочное масло, рыбий жир, печень. Витамин Е (клиническое название – антиоксидантный, химическая название - токоферолы). Витамин Е по химической природе является метильным производным токола. К витамину Е относят семейство 8 типов токоферолов (?, ?, ?, ? и т.д. токоферолы), среди которых наиболее активным является ?-токоферол. Витамин был выделен из зародышей пшеничных зерен. Название – токоферол (несущий потомство) – произошло на основании экспериментальных данных о предупреждении бесплодия у животных, поэтому этот витамин раньше имел клиническое название – антистерильный однако в дальнейшем оказалось, что эти вторичные эффекты витамина Е обусловлены его антиоксидантным действием. Роль в обмене веществ Токоферол является природным липофильным антиоксидантом, так как он способен инактивировать свободные радикалы. Из-за гидрофобности антиоксидантные свойства витамина Е проявляются, прежде всего, в липидном слое биомембран и таким образом предотвращается развитие цепи перекисного окисления и липидов обеспечивается стабильность биологических мембран. Токоферол отдает атом водорода свободному радикалу пероксида липида (ROO*), восстанавливая его до гидропероксида (ROOH) и таким образом останавливается развитие ПОЛ. Свободный радикал витамина Е, образовавшийся в результате реакции, стабилен и не способен участвовать в развитии цепи. Токоферол повышает биологическую активность витамина А, защищая от окисления его ненасыщенную боковую цепь. Гиповитаминоз Е. Недостаточность витамина Е в отличие от других витаминов не отличается специфическими клиническими проявлениями. Это обусловлено тем, что при недостатке токоферола активируются свободнорадикальные процессы, особенно в липидах биомембран, что проявляется разнообразными нарушениями. Наиболее характерные признаки гиповитаминоза Е наблюдается у недоношенных детей, когда поражаются биомембраны, клеток и, прежде всего, эритроцитов, что приводит к развитию гемолитической анемии. Таким образом, гиповитаминоз Е характеризуется патологией мембран, одним из признаков которой является гемолиз. При экспериментальном гиповитаминозе Е развивается атрофия семенников, бесплодие, рассасывание плода при беременности. Исходя их этих первых исследований гиповитаминоза, витамин Е раньше называли антистерильным витамином. Однако, в дальнейшем, выяснилось, что в основе наблюдаемых нарушений лежит активация свободно-радикального окисления и витамин назвали антиоксидантом. Суточная потребность в витамине – 5 мг. Источник витамина – растительные масла, особенно оливковое, облепиховое масла, сардины, салат, семена злаков (проросшие семена пшеницы), сливочное масло, яичный желток. Одной из причин гиповитаминоза Е – искусственное вскармливание новорожденных, так как в коровьем молоке в 10 раз меньше витамина Е, чем в женском молоко. Поэтому обязательно добавление витамина Е в питании недоношенных детей при искусственно вскармливании. Витамин К – антигеморрагический витамин. К этому витамину относятся и К2 – менахинон, фарнохинон – синтезируется микрофлорой кишечника. Название витамина произошло от koagulation –свертывание крови. Роль в обмене веществ. Витамин К – объединенное название для группы производных нафтохинона (гидрохинона, эпоксида и хинона). Эти соединения не являются компонентами системы свертывания крови, но необходимы для активации факторов свертывания: протромбина (II), проконвертина (VII), фактора Стюарта (X) и фактора Кристамаса (IX). При окислении форм витамина К активируется карбоксилаза глутаминовой кислоты. Образующийся карбоксиглутамин связывает Ca2+, необходимый для связывания тромбина с тромбоцитарными мембранами. Авитаминоз проявляется в виде геморрагий подкожных, внутримышечных, носовых. Особенно опасны внутренние кровотечения. Причины авитаминоза. Так как витамин К синтезируется микрофлорой кишечника, то основная причина гиповитаминоза состоит в нарушении всасывания этого жирорастворимого витамина из-за нарушения секреции желчи, заболеваний печени. Суточная потребность – 1-2 мг. Наиболее богатыми источники витамина является шпинат, капуста томаты, рябина, печень. Так как причиной гиповитаминоза не является отсутствие его в пище, а нарушение его всасывания, то стояла проблема создания водорастворимых форм этого витамина. Такие формы были синтезированы и они используются как фармацевтические преараты. Один из них – водорастворимая форма витамина К – викасол. В быту для борьбы с грызунами используется антивитамин К – варфарин – антикоагулянт, так как он похож по строению на витамин К и действует как конкурент витамина. 1.8.2. Водорастворимые витамины Водорастворимые витамины Витамин С. Клиническое название этого витамина – антискорбутный, а химическое название – аскорбиновая кислота. Витамин С не содержит карбоксильной группы, но называется кислотой, хотя по химической природе является лактоном кислоты и две енольные гидроксильные группы легко окисляются – отдают электроны и протоны: Образующая в результате окисления L –дегидроаскорбиновая кислота, легко восстанавливается в аскорбиновую кислоту в кислой среде, однако в нейтральной и слабощелочной среде подвергается необратимому распаду. Особенно быстро аскорбиновая кислота окисляется в присутствии кислорода. Роль в обмене веществ. Особенности химической структуры аскорбиновой кислоты определяют ее участие в окислительно-восстановительных реакциях. Аскорбиновая кислота участвуют в следующих окислительно-восстановительных реакциях. 1. гидроксилировании аминокислот лизина и пролина, т.е. их превращении в оксилизин и оксипролин, важнейших компонентах белка соединительной ткани – коллагена. 2. гидроксилировани биогенных аминов, превращении ДОФА в норадренали и триптофаа в серотонин. 3. гидроксилировании кортикостероидных гормонов. 4. антиокислительной защите, аскорбиновая кислота является водорастворимым антиоксидантом. Гиповитаминоз и авитаминоз витамина С проявляется поражением соединительной ткани, снижением устойчивости организма в стрессовых ситуациях. Ранними признаками гиповитаминоза С являются кровоточивость, болезненность десен, появление кожных кровоизлияний, петехий. Более глубокие нарушения соединительной ткани (авитаминоз) переходят в развитие цинги (скорбута). При авитаминозе возможны кровоизлияния во внутренние органы, нарушения костной ткани, многочисленные поражения зубов кариесом. Суточная потребность в аскорбиновой кислоте 100-120 мг, она возрастает при стрессовых ситуациях, инфекционных заболеваниях, во время беременности, лактации. Источники витамина С – овощи и фрукты. Особенно богаты витамином С цитрусовые, грецкий орех. В условиях Сибири – черная смородина, шиповник. Постоянными источниками этого витамина являются квашеная капуста, картофель. Среди всех гиповитаминозов чаще других встречается гиповитаминоз С, так как этот витамин, во-первых неустойчив, быстро окисляется и разрушается. Во-вторых его потребность высокая, больше, чем многих других. В-третьих, практически не образуются запасы этого витамина в организме, его избыток выводится с мочой. Витамин Р(рутин,биофлавоноиды),фактор проницаемости. Свойствами этого витамина обладает большая группа соединений: катехины,флавоны,флавононы,антоцианы,кумарины,гесперидин и другие. Все эти соединения являются производными флавона соединениями и называются биофлавоноидами. Этот витамин выделил из лимона Сент-Дъерди в 1936 году, а в настоящее время известно более 100 соединений, производных флавона. Роль в обмене веществ. Этот витамин называется витамином проницаемотси, спутником витамина С, так как он содержится почти в тех же процедурах,как и витамин Си влияет как и аскорбиновая кислота на проницаемость сосудов. Этот витамин является сильным антиоксидантом, этот его эффект превышает аналогичные свойства других витаминов-антиоксидантов в несколько раз. Биофлавоноиды стабилизируют межклеточный матрикс, уменьшают проницаемость каппиляров, обладают гипотензивным действием. Это витамин содержится только растениях, как и аскорбиновая кислота в цитрусовых, фруктах и овощях. В отличии от витамина С, витамин Р содержится в чае, особенно в зелёном чае, много этого витамина в красном винограде.Богаты этим витамином ярко окрашенные фрукты и овощи-абрикос, морковь,а также шпинат, брокколи. Тиамин не растворим в воде и выпускается в виде соли. Устойчив в кислой среде, неустойчив в щелочной и нейтральной. Выдерживает нагревание в кислой среде до 120. Метаболические функции вит.В1 1. Входит в состав ТДФ: ТИАМИН +АТФ ТДФ - кофермент декарбоксилаз альфа -кетокислот (ПВК, альфа -КГК) - кофермент транскетолазы (фермент пентозного цикла). 2.Участвует в передаче нервного импульса. Суточная потребность в витамине B1 - 2-Змг. Она возрастает при употреблении в пищу легко усваиваемых углеводов. 1000 ккал требует 0,5мг тиамина. Источниками витамина В1 являются дрожжи, гречневая и овсяная крупа, пшеничная мука грубого помола, печень, мясо, яйцо, картофель. При его недостатке в тканях накапливаются пировиноградная кислота, альфа – кетоглутаровая килота. Страдает в первую очередь нервная ткань, развивается полиневрит. Авитаминоз В1 проявляется в виде заболевания бери-бери. Полиневриты проявляются онемением конечностей, парастезиями. Развивается сердечно-сосудистая недостаточность, нарушается водный обмен (отёки), страдают функции пищеварительной системы (нарушение секреции и перистальтики). Особенно часто развивается авитаминоз В1 у хронических алкоголиков из-за плохого его усвоения. Витамин В2 Устойчив в кислой среде, но разрушается в нейтральной и щелочной среде. Метаболические функции витамина В2. 1. Участвует в окислительно-восстановительных реакциях, т.к. входит в состав коферментов ФМН и ФАД. 2. Компонент дыхательной цепи, входит в состав НАДН - ДГ. 3. Принимает участие в окислении жирных кислот, янтарной кислоты, аминокислот. Суточная потребность в витамине В2 - 2-4мг. Источниками витамина В2 являются дрожжи, печень, мясо, хлеб, соя, яйцо. Гиповитаминоз и авитаминоз проявляется поражением эпителия слизистых, роговицы глаз, кожи; сухость губ, поражение слизистой полости рта, трещины на губах, кератиты, васкуляризация глаз. Витамин РР Участвует в образовании НАД и НАДФ. 1. Компонент дыхательной цепи. 2. Коферменты различных дегидрогеназ. Суточная потребность в витамине РР 20 - 25мг. Источниками витамина РР являются дрожжи, говяжья печень, рыба, грибы, мука пшеничная, соя, бобы, хлеб, картофель, мясо. Может синтезироваться в организме при поступлении с пищей белков и витамина В6. Гиповитаминоз проявляется в виде пеллагры: 1.Характерный дерматит, с повреждением симметричных участков кожи, подверженных действию ультрафиолетового облучения 2. Диарея 3. Деменция Причины гиповитаминоза: белковое голодание, недостаток витамина В6. Витамин В6 Участвует в образовании пиридоксальфосфата: 1. Кофермента аминотрансфераз 2. Кофермента декарбоксилаз аминокислот 3. Необходим для образования витамина РР из триптофана. 4. Участвует в синтезе гема. Таким образом, витамин В6 участвует в различных превращениях аминокислот, следовательно, необходим для нормального обмена белков. Суточная потребность-2мг. Источники вит.В6: печень, дрожжи, молоко, пшеница, рис, отруби. Гиповитаминоз приводит к нарушению белкового обмена, что проявляется развитием анемии, дерматита, стоматита, глоссита. Витамин В12 (КОБАЛАМИН, АНТИАНЕМИЧЕСКИЙ). По структуре геминоподобное соединение. Устойчив при нагревании, но не образуется ни в организме человека, ни в организме животных, ни в растениях, но синтезируется микроорганизмами. Метаболические функции витамина В12. В процессе метаболизма из кобаламина образуются метилкобаламин и аденозилкобаламин. Метилкобаламин участвует в транспорте метильных групп I. МЕТИЛИРОВАНИЕ В12 ГОМОЦИСТЕИН МЕТИОНИН ХОЛИН ФОСФАТИДИЛХОЛИН 2.ДЕМЕТИЛИРОВАНИЕ В12 МЕТИЛТЕТРОГИДРОФОЛЕВАЯ К-ТА ТЕТРОГИДРОФОЛЕВАЯ К-ТА II. АДЕНОЗИЛКОБАЛАМИН В12 МЕТИЛМАЛОНИЛ-КОА СУКЦИНИЛ-КОА Суточная потребность в витамине 1,5-Змкг. В клинике используют до 200мкг. точниками витамина В12 являются печень говяжья и трески, мясо, сыр, яйцо, молоко коровье, козье. Витамин В12 синтезируется микрофлорой кишечника. Он депонируется в печени. Его запасов хватает на 2 - 3 месяца. Гиповитаминоз В12: 1 .Клетки теряют фолевую кислоту, а её дефицит проявляется в виде мегалобластической анемии. 2.Поражение слизистой ЖКТ. 3.Накопление МЕТИЛМАЛОНИЛ-КОА. следовательно, повышение синтеза жирных кислот с нечётным количеством атомов углерода. 4.Нарушение синтеза ХОЛИНА и ФОСФОЛИПИДОВ, следовательно, повышается синтез нейтральных жиров, приводящее к жировой инфильтрации печени. 5.Повышение ГОМОЦИСТЕИНА в крови приводит к развитию атеросклероза. Причины гиповитаминоза. Для всасывания витамина В12 необходим МУКОПРОТЕИН (фактор КАСЛА), который синтезируется обкладочными клетками слизистой желудка. 1. Недостаточность или нарушение рецепторов. 2. Дефицит мукопротеина (иммунные расстройства, заболевания слизистой желудка). 3. Дефицит витамина В12 (длительное вегетарианство, энтериты, дсбактериозы). В крови витамин В12 транспортируется с помощью белка ТРАНСКОБАЛАМИНА. Выделяют его несколько форм. С помощью транскобаламина-2 витамин транспортируется в печень и там депонируется, связывается с транскобаламином-1 и поступает снова в кровь. Транскобаламин-3 предупреждает потери витамина. Курение понижает активность витамина В12. Витамин Н (БИОТИН, АНТИСЕБОРЕЙНЫЙ). Метаболические функции витамина Н 1. Является коферментом карбоксилаз ПВК, ацетил -КОА, пропионил-КОА. ПВК + CО2 ЩУК 2. Участвует в реакциях синтеза жирных кислот и стерина. Суточная потребность в витамине Н 0,15 - 0,2мг. Источниками витамина Н являются печень, соя, молоко, яйца, мука, лук, морковь, апельсины, дрожжи, арахис. Синтезируется микрофлорой кишечника. Гиповитаминоз проявляется в виде чешуйчатого дерматита (носогубной треугольник и волосистая часть головы), конъюктивита, анемии, себореи. Причины гиповитаминоза: дисбактериозы. Употребление сырых яиц,содержащих белок авидин, связывающий витамин Н, и этот комплекс не усваивается. Заболевания поджелудочной железы, в которой синтезируется фермент БИОТИНИДАЗА, освобождающий биотин от белка; если этого фермента нет, то БИОТИН не усваивается. ПАНТОТЕИНОВАЯ КИСЛОТа (витамин ВЗ ). Является производной бета –аланина, соединенного с производным масляной кислоты. Метаболические функции ПАНТОТЕИНОВОЙ кислоты. 1. Входит в состав кофермента А, следовательно, участвует в синтезе АЦЕТИЛ-КОА, различных АЦИЛ-КОА, образующихся в результате следующих реакций: ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ альфа –КЕТОКИСЛОТ. Синтез и окисление жирных кислот, синтез СТЕРОИДОВ. 2. Участвует в синтезе более 80 различных ферментов. Суточная потребность 10-15мг. Источники: печень, дрожжи, пчелиное молочко. Синтезируется микрофлорой кишечника. Гиповитаминоз характеризуется поражением -малых -артерий нижних конечностей. В эксперименте наблюдался некроз надпочечников. ˜ 1.8.3. ВИТАМИНОПОДОБНЫЕ ВЕЩЕСТВА. Синтезируются в организме, но в недостаточном количестве. ПАБК (ПАРААМИНОБЕНЗОЙНАЯ К-ТА) 1.Участвует в образовании ФОЛИЕВОИ кислоты, 2.Участвует в образовании ряда ферментов, 3.Является фактором пигментации. Недостаточность ПАБК проявляется в виде нарушения пигментации. Суточная потребность не установлена. Источники: печень, дрожжи и другие продукты. Холин 1. Участвует в образовании ФОСФАТИДИЛХОЛИНА. 2.Донор - СНЗ групп для образования ПУРИНОВЫХ и ПИРИМИДИНОВЫХ оснований. 3.Необходим для образования АЦЕТИЛХОЛИНА. Суточная потребность: 0,5 - 1 гр. Источники: желток яиц, печень, почки и др. продукты. ОРОТОВАЯ КИСЛОТА ( является пиримидиновым основанием) Необходима для синтеза ПИРИМИДИНОВЫХ И ПУРИНОВЫХ азотистых оснований, предшественников аминокислот. Содержится в дрожжах и печени. ПАНГАМОВАЯ КИСЛОТА - производное глюкуроновой кислоты и диметилглицина. В организме быстро гидролизуется. Инозит. Входит в состав фосфатидилинозита, При его недостатке развивается дерматит и жировое перерождение печени. Суточная потребность 1 -2гр. 2.1. Ферменты и неорганические катализаторы ПОНЯТИЕ О ФЕРМЕНТАХ. Ферменты - это биологические катализаторы в основном белковой природы. Роль ферментов в организме огромна. В каждой клетке организма находится до 10000 молекул ферментов, которые катализируют более 2000 различных химических реакций. Ферменты начинают своё каталитическое действие в ЖКТ, продолжают его в тканях, на этапе выведения и образования конечных продуктов. Энзимология (ферменты - энзимы) - раздел науки, изучающий ферменты. ОБЩИЕ ЧЕРТЫ ФЕРМЕНТОВ И НЕБИОЛОГИЧЕСКИХ КАТАЛИЗАТОРОВ. 1. Повышают скорость реакции. 2. В реакциях они не расходуются. 3. Для обратимых процессов и прямая, и обратная реакция катализируется одним и тем же ферментом. ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ПРИЗНАКИ ФЕРМЕНТОВ. 1 .Ферменты обладают более высокой эффективностью действия (повышают скорость реакции в большее число раз, чем неорганические катализаторы). 2.Ферменты чувствительны к температуре (термолабильны) 3.Ферменты чувствительны к значениям рН среды. 4.Ферменты, в отличие от неорганических катализаторов, обладают высокой специфичностью действия. 5.Ферменты - это катализаторы с регулируемой активностью. 2.2. Строение ферментов Ферменты, являясь белками, повторяют все особенности структуры и состава белков (состоят из аминокислот, имеют 4 уровня структурной организации), физико-химические свойства белков. Ферменты, как и все функциональные белки, могут быть простыми и сложными. Простые ферменты представлены только белковой частью (состоят из аминокислот) - пепсин, трипсин, фосфатазы. Сложные ферменты представлены: 1 .Белковой частью (состоит из аминокислот) - апофермент; 2.Небелковой частью. Небелковая часть может быть представлена: ионами металлов (К, Na, Ca, Mg, Mn); коферментами - низкомолекулярные органические вещества. Для многих ферментов его апофермент вместе с небелковой частью образуют каталитически активную молекулу, которая называется холоферментом. В роли биокатализаторов могут выступать и небелковые соединения. Рибозимы - биокатализаторы, которые по химической природе являются РНК. Рибозимы катализируют разрыв фосфодиэфирных связей нуклеиновых кислот. В пространственной структуре фермента можно выделить отдельные участки, которые выполняют те или иные функции (активный центр, контактный участок, каталитический участок, аллостерический центр). Активный центр - это участок в молекуле фермента, где происходит связывание и превращение субстрата. Активный центр обычно располагается в гидрофобном углублении (недоступном для молекул воды), изолируя субстрат от воды. В образовании активного центра, участвуют боковые группы АК (12-20 АК), причём эти АК могут находиться на разных участках полипептидной цепи, но при формировании пространственной конфигурации фермента они укладываются т.о., что располагаются в области активного центра. В образовании активного центра принимают участие следующие группы боковых цепей АК: – NH2 (арг, лиз); – СООН (асп, глу); – SH (цис); – ОН (сер, тре); – имидазольное кольцо (гис); – гуанидиновая группа (арг); – фенольное кольцо (тир). Остальные АК поддерживают пространственную конфигурацию активного центра фермента и обеспечивают его реакционную способность. Контактный (субстрат-связывающий ) участок - это место в активном центре фермента, где происходит связывание субстрата с его активным центром. Контактный участок обеспечивает специфическое сродство субстрата к ферменту. Каталитический участок - место, где проходит сама каталитическая реакция. Аллостерический центр - участок в молекуле фермента, пространственно удаленный от активного центра. К аллостерическому центру могут присоединяться различные вещества, которые отличаются по структуре от молекул субстрата. Эти вещества называются аллостерические эффекторы. Они могут влиять на конформацию активного центра фермента, изменяя её, т.е. могут или повышать скорость реакции, или тормозить её. рис. Активный центр фермента ˜ 2.3. Коферменты КОФЕРМЕНТЫ Коферменты – небелковая часть сложных ферментов. Их делят на две группы: 1.Витаминные. 2.Невитаминные. Витаминные коферменты: 1.Тиаминовые коферменты содержат в своём составе витамин В1 (тиамин). – ТДФ – тиаминдифосфат; ТДФ связан с ферментами - декарбоксилазами альфа – кетокислот (входит в состав пируватдегидрогеназного и альфа-кетоглутаратдегидрогеназного комплексов); Является коферментом трансктолаз. 2.Флавиновые коферменты содержат в своём составе витамин В 2. – ФМН – флавинмононуклеотид; – ФАД - флавинадениндинуклеотид. ФМН и ФАД связаны с ферментами дегидрогеназами. Участвуют в реакциях дегидрирования. 3. Пантотеновые коферменты содержат в своём составе витамин ВЗ (пантотеновая кислота). Представитель – кофермент А. Участвует в : 1. 2. 3. 4. Переносе ацильных радикалов; Активации жирных кислот; Синтезе холестерола и кетоновых тел; Обезвреживании ксенобиотиков. 4. Никотинамидные коферменты содержат в своём составе витамин РР (никотинамид). – НАД (никотинамидадениндинуклеотид); – НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат). Кофермент могут быть в окисленной и восстановленной форме. НАД и НАДФ связаны с ферментами дегидрогеназами, которые ускоряют окислительно-восстановительные реакции. 5. Пиридоксиновые коферменты содержат в своём составе витамин В6. Кофермент – пиридоксальфосфат (ПФ). Участвует в реакциях превращения АК: 1.Реакции переаминирования (трансаминирование). Связан с ферментами аминотрансферазами. 2.Реакции декарбоксилирования аминокислот. НЕВИТАМИНЫЕ КОФЕРМЕНТЫ Не содержат в своём составе витаминов, но участвуют в каталитических превращениях. 1. Нуклеотиды: АТФ, ЦТФ (участвуют в синтезе фосфолипидов); УДФ, УТФ, ГТФ (участвуют в синтезе гликогена). 2. Производные порфирина: гем, цитохромы, каталаза. 3. Пептиды: Глутатион - трипептид, содержащий ГЛУ-ЦИС-ГЛИ. Он связан с ферментами оксидоредуктазами. Участвует в окислительно-восстановительных реакциях. ˜ 2.4. Свойства ферментов СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ. 1 .Высокая каталитическая активность. 2.Ферменты, являясь белками, проявляют термолабильные свойства чувствительность к изменению температуры. При повышении температуры на каждые 10 градусов Цельсия, скорость ферментативных реакций повышает в 1,5 - 2 раза (правило Вант - Гоффа). Это правило применимо для ферментов в очень узком интервале температуры, т.к. уже при 50-60 градусах наблюдается денатурация, а при 100 градусов Цельсия полная денатурация с потерей активности. При 1-3 градусов Цельсия Активность фермента также понижается, но при понижении температуры структура его сохраняется, поэтому при последующем повышении температуры активность восстанавливается. Это свойство используется в клинической практике при проведении оперативных вмешательств. Температура, при которой фермент проявляет максимальную активность, называется оптимальной. 3.Ферменты чувствительны к изменениям рН среды. Для большинства ферментов оптимальные значения РН лежат в нейтральной среде (для каталазы рН = 7). Есть ферменты, для которых оптимальные значения рН лежат в кислой среде (пепсин рН = 1 ,5-2,5). Некоторые ферменты проявляют активность в щелочной среде (аргиназа рН = 10 - 11). Изменения рН приводит к изменению степени ионизации кислых и основных групп в активном центре фермента, т.к. эти группы участвуют в связывании субстрата и его превращении. Изменение рН приводит к конформационной перестройке не только активного центра фермента, но и всей молекулы фермента. Это может сопровождаться нарушением третичной структуры фермента. При оптимальном значении рН функциональные группы активного центра находятся в наиболее реакционноспособном состоянии, и это обеспечивает образование фермент-субстратного комплекса. Специфичность действия ферментов. Субстратная специфичность 1. Абсолютная специфичность. Ей обладают ферменты, которые действуют только на 1 субстрат и не действуют на другие субстраты. Уреаза катализирует гидролиз мочевины. Аргиназа расщепляет аргинин. Фумараза ускоряет гидратацию фумаровой кислоты. 2. Стереоспецифичность. Ей обладают ферменты, действующие на пространственные или стереоизомеры. Цис- и транс- изомеры; оптические изомеры. 3. Групповая специфичность. Ей обладают ферменты, которые катализируют однотипные реакции сходных по строению субстратов, т.е. эти субстраты могут содержать в своём составе одинаковые группы атомов. 2.5. Номенклатура ферментов Номенклатура ферментов. 1. Тривиальная номенклатура. Пример: пепсин, трипсин. 2. Рабочая номенклатура: название S + тип превращения + окончание «аза». пример: лактатдегидрогеназа. 3. Систематическая номенклатура. Название всех субстратов участвующих в реакции + название класса ферментов. L-лактат : НАД – оксидоредуктаза. 4. Каждый фермент имеет четырехзначный шифр 1.1.1.27 ЛДГ (обозначается класс, подкласс, подподкласс, порядковый номер фермента, соответственно) ˜ 2.6. Классификация ферментов Классификация ферментов В основе лежит тип катализируемой реакции Классы ферментов 1. Оксидоредуктазы 2. Трансферазы 3. Гидролазы 4. Лиазы 5. Изомеразы 6. Синтетазы ˜ 2.7. Механизм действия ферментов Согласно современным представлениям при взаимодействии фермента с субстратом условно можно выделить 3 стадии: 1 стадия характеризуется диффузией субстрата к ферменту и их стерическимм взаимодействием с образованием фермент-субстратного комплекса. Эта стадия непродолжительна. Её скорость зависит от концентрации субстрата и скорости диффузии его к активному центру фермента. На этой стадии практически не происходит понижения энергии активации. Е + S > ЕS На второй стадии происходит преобразование Е-S комплекса в один, или несколько, активированных комплексов. Е + S > ЕS > ЕS*> ЕS** > ЕР Эта стадия является наиболее продолжительной по времени. При этом происходит разрыв связей в молекуле субстрата, образование новых связей, т.е. образуются продукты реакции. Энергия активации снижается значительно. на третьей стадии происходит освобождение продуктов реакции от фермента и поступление их в окружающую среду. ЕР > Е + Р Ускорение химическокой реакции ферментами происходит за счет существенного снижения энергии активации реагирующих веществ. Ряд молекулярных эффектов позволяют снижать энергию активации. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЭФФЕКТЫ 1. Эффект концентрации. Молекулы субстрата концентрируются в области активного центра фермента. 2. Эффект сближения и ориентации. Это характерное свойство ферментов, которое позволяет ускорить превращение субстрата и повышение скорости реакции в 1000 и 10000 раз. Контактные участки активного центра фермента связывают специфически молекулы субстрата, сближают их и обеспечивают взаимную ориентацию так, чтобы это было выгодно для действия каталитических групп фермента. Такое упорядоченное расположение субстрата приводит к снижению энергии активации. 3. Эффект натяжения. До присоединения субстрата к активному центру фермента, его молекула как бы в расслабленном состоянии. После связывания молекула субстрата растягивается и принимает напряжённую деформированную конфигурацию. При этом увеличивается длина межатомных связей, следовательно, понижается энергию активации. 4. Кислотно-основный катализ. В активном центре фермента содержатся группы кислотного и основного типа. Группы кислотного типа отщепляют Н+ и имеют отрицательный заряд. Группы основного типа присоединяют Н+ и имеют положительный заряд. Кроме основных групп, положительный заряд несут ионы металлов. После связывания субстрата с активным центром фермента, молекулы субстрата перестраиваются, т.к. они подвергаются действию каталитических групп активного центра: одни группы присоединяют Н+, другие его отщепляют. Это приводит к ускорению образования продукта реакции, т.е. способствует понижению энергии активации. 5.Ковалентный катализ. Наблюдается у ферментов, которые образуют ковалентные связи между каталитическими группами активного центра и субстрата. В результате формируется промежуточный фермент-субстратный комплекс, который неустойчив, легко распадается, продукты реакции быстро освобождаются. 6.Эффект индуцированного соответствия. Он объясняет специфичность действия ферментов. По этому поводу имеется 2 точки зрения: А). Гипотеза Фишера. Согласно ей имеется строгое стерическое соответствие субстрата и активного центра фермента. По Фишеру, фермент - это жёсткая структура, а субстрат является как бы слепком его активного центра. Если субстрат подходит к активному центру фермента как ключ к замку, то реакция возможна. Но эта теория не могла объяснить групповую специфичность фермента. Б). Теория индуцированного соответствия Кошленда дополнила теорию Фишера. Согласно ей молекула фермента - это не жёсткая, а гибкая структура. После связывания фермента с субстратом, изменяется конформация активного центра фермента и всей молекулы субстрата. 2.8. это снижение каталитической активности - в присутствии определенных веществ – ингибиторов. По характеру действия ингибиторы делятся на 2 большие группы: 1.Обратимые это соединения, которые НЕКОВАЛЕНТНО взаимодействуют с ферментом, при этом образуется комплекс, способный к диссоциации. 2.Необратимые - это соединения, которые могут специфически связывать определенные функциональные группы активного центра фермента. Они образуют с ним прочные КОВАЛЕНТНЫЕ связи, поэтому такой комплекс трудно разрушить. Виды ингибирования. По механизму действия выделяют следующие виды ИНГИБИРОВАНИЯ: 1. Конкурентное ингибирование - это торможение ферментативной реакции, вызванное связыванием с активным центром фермента ингибитора, который по своей структуре близок к структуре субстрата. При этом и субстрат, и ингибитор могут взаимодействовать с ферментом, но они будут конкурировать за активный центр фермента, и связываться будет то вещество, которого больше. пример: Конкурентным ингибитором данной реакции является малоновая кислота, поэтому с активным центром фермента связывается и та, и другая кислота, в зависимости от их соотношения в растворе. Чтобы снять частично или полностью действие конкурентного ингибитора, нужно повысить концентрацию субстрата. При этом весь фермент будет находиться в форме фермент-субстратного комплекса, а доля комплекса фермент-ингибитор будет резко понижаться, поэтому скорость ферментативной реакции может быть максимальной даже в присутствии ингибитора. Многие лекарственные препараты действуют по типу конкурентного ингибитора. При этом они тормозят активность ряда ферментов, необходимых для функционирования бактериальных клеток. Примером является применение сульфаниламидов. При различных инфекционных заболеваниях, которые вызываются бактериями, применяются сульфаниламидные препараты. Эти препараты имеют структурное сходство с парааминобензойной кислотой, которая используется бактериями для синтеза фолиевой кислоты, необходимой для роста и размножения бактерий Введение сульфаниламидов приводит к ингибированию ферментов бактерий, которые синтезируют фолиевую кислоту. Нарушение синтеза этой кислоты проводит к нарушению роста микроорганизмов и их гибели. По принципу конкурентных ингибиторов действует целая группа различных препаратов – это антихолинэстеразы. Они являются конкурентными ингибиторами фермента холинэстеразы, катализирующего гидролиз ацетилхолина. Ацетилхолин обеспечивает проведение нервного импульса. Антихолинэстеразы конкурируют с ацетилхолином за активный центр фермента холинэстеразы. В результате этого распад ацетилхолина тормозится, он накапливается в организме, вызывая нарушение проведения нервного импульса. 2. Неконкурентное ингибирование - это торможение ферментативной реакции, вызванное влиянием ингибитора на каталитическое превращение субстрата. При этом ингибитор не влияет на связывание фермента с субстратом. Неконкурентный ингибитор может связываться либо с каталитическими группами активного центра фермента, либо вне активного центра фермента, но при этом он изменяет конформацию фермента и затрагивает каталитический участок его активного центра. При неконкурентном ингибировании, возможно образование тройного, неактивного комплекса. Схема неконкурентноеого ингибирования В качестве неконкурентного ингибитора выступают цианиды. Они прочно связываются с ионами железа, которые входят в состав каталитического геминового фермента -цитохромоксидазы. Этот фермент является одним из компонентов дыхательной цепи. Блокирование дыхательной цепи выключает её из работы, что приводит к мгновенной гибели организме. Примером неконкурентного ингибитора является действие солей тяжёлых металлов. Они блокируют -SH группы, которые входят в каталитический участок фермента. При этом образуется комплекс фермент-ингибитор. Он способен присоединять субстрат, но дальнейшего превращения субстрата не происходит, т.к. каталитические группы фермента заблокированы. Реакция непродуктивна. Снять действие неконкурентного ингибитора очень сложно, т.к. ионы металлов очень прочно связываются с активным центром фермента. Действие этого ингибитора можно снять только с помощью специальных веществ - реактиваторов. 3.Субстратное ингибирование - это торможение ферментативной реакции, вызванное избытком субстрата. При этом образуется фермент-субстратный комплекс, но он не подвергается каталитическим превращениям, т.к. делает молекулу фермента неактивной. Действие субстратного ингибитора снимается путём уменьшения концентрации субстрата. 4.Аллостерическое ингибирование характерно для ферментов, имеющих четвертичную структуру, молекула которых состоит из нескольких единиц (протомеров). Аллостерические ферменты могут иметь 2 и более единиц. При этом одна имеет каталитический центр и называется каталитической, а другая - аллостерический центр и называется регуляторной. В отсутствии аллостерического ингибитора субстрат присоединяется к каталитическому центру, и идёт обычная каталитическая реакция. При появлении аллостерического ингибитора, он присоединяется к регуляторной единице, т.е. к аллостерическому центру, и изменяет конформацию центра фермента, в результате этого активность фермента снижается. Предыдущий раздел Раздел верхнего уровня Следующий раздел 3. Обмен углеводов ОБМЕН УГЛЕВОДОВ 1. Основные углеводы животного организма, их биологическая роль. 2. Превращение углеводов в органах пищеварительной системы. 3. Биосинтез и распад гликогена в тканях. 4. Гликогеновые болезни. Углеводы - это полиоксикарбонильные соединения и их производные. Основными углеводами организма человека являются: 1. Моносахариды (глицеральдегид, диоксиацетон,эритроза, рибоза, дезоксирибоза, рибулоза, ксилулоза,глюкоза, галактоза, фруктоза, манноза, арабиноза и др.); 2. Олигосахариды (мальтоза, лактоза, сахароза); 3. Гомополисахариды (крахмал, гликоген, клетчатка); 4. Гетерополисариды (гиалуроновая кислота, дерматансульфат, кератансульфат, гепарин). хондроитинсульфат, 3.1. Биологическая роль углеводов БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ УГЛЕВОДОВ: 1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ. При окислении1 г углеводов до конечных продуктов (СО2 и Н2О) выделяется 4,1-ккал энергии. На долю углеводов приходится около 60-70 % всей суточной калорийности пищи. Суточная потребность в углеводах для взрослого человека в среднем массой 60-70 кг составляет около 400-500 г. 2. СТРУКТУРНАЯ. Углеводы используется как строительный материал для образования структурных компонентов клеток (гликолипиды, гликопротеины, гетерополисахариды межклеточного вещества). 3.РЕЗЕРВНАЯ. Углеводы откладываются в клетках в виде резервного полисахарида гликогена. 4. ЗАЩИТНАЯ. Гликопротеины принимают участие в образовании антител. Гиалуроновая кислота, входя в состав соединительной ткани, препятствует проникновению чужеродных веществ. Гетерополисахариды участвуют в образовании вязких секретов покрывающей слизистые оболочки дыхательных путей, мочевыводящих путей, пищеварительного тракта, предохраняя их от повреждений. 5. РЕГУЛЯТОРНАЯ. Некоторые гормоны гипофиза, щитовидной железы являются гликопротеинами. Простаноиды и лейкотриены образуются из полиненасыщенных высших жирных кислот и являются регуляторами обмена веществ. 6. Участвуют в процессах узнавания клеток. Важная роль при этом отводятся сиаловым кислотам и нейраминовой кислоте. 7. Гетерополисахариды входя в состав оболочек эритроцитов, определяют группы крови. 8. Участвуют в процессах свёртывания крови, входя в состав фибриногена и протромбина. Препятствуют свёртыванию крови, входя в состав гепарина. ˜ 3.2. Превращение углеводов в пищеварительном тракте ПРЕВРАЩЕНИЕ УГЛЕВОДОВ В ПИЩЕВАРИТЕЛЬНОМ ТРАКТЕ Основными углеводами пищи для организма человека являются: крахмал, гликоген, сахароза, лактоза. Поступивший с пищей крахмал (гликоген) в ротовой полости подвергается гидролизу под действием альфа-амилазы слюны, которая относится к эндоамилазам. Она расщепляет альфа (1,4)-гликозидные связи в структуре крахмала. РН оптимум для альфа-амилазы слюны находится в слабощелочной среде (рН = 7-8). Поскольку пища в ротовой полости находится недолго, то крахмал переваривается лишь частично. Его гидролиз завершается образованием амилодекстринов . Далее пища поступает в желудок. Слизистой оболочкой желудка гликозидазы не вырабатываются. В желудке среда резко кислая (рН=1,5-2,5), поэтому действие альфа-амилазы слюны внутри пищевого комка прекращается. Однако в более глубоких слоях действие фермента продолжается, и крахмал успевает пройти следующую стадию гидролиза, с образованием эритродекстринов. Основным местом переваривания крахмала служит тонкий отдел кишечника. Здесь проходит наиболее важная фаза гидролиза крахмала. В переваривании крахмала принимает участие ферменты, вырабатываемые в поджелудочной железе (альфа-амилаза, амило-1,6-гликозидаза и олиго-1,6-гликозидаза ). Выделяющийся панкреатический сок содержит бикарбонаты , которые принимают участие в нейтрализации кислого желудочного содержимого, создаётся слабощелочная среда (рН=8-9) - оптимальная для гликозидаз. Образующиеся катионы (Na+,K+) принимают участие в активации ферментов. Три панкреатических фермента завершают гидролитический разрыв внутренних гликозидных связей в структуре крахмала. Эритродекстрины переходят в ахродекстрины . Альфа-амилаза завершает разрыв внутренних альфа(1,4)-гликозидных связей, амило-1,6-гликозидаза гидролитически расщепляет внутренние альфа-1,6гликозидные связи в точках ветвления, а олиго-1,6-гликозидаза является терминальной в этом процессе. Таким образом, три панкреатических фермента завершают гидролиз крахмала в кишечнике с образованием мальтоз (изомальтоз). Образованная мальтоза – является только временным продуктом гидролиза крахмала, т.к. она после всасывания в энтероцитах гидролизуется под действием мальтаз (изомальтаз) до глюкоз . В составе пищи в организм человека поступают и дисахариды: лактозы и сахарозы, которые подвергаются гидролизу только в тонком кишечнике. В клетках кишечника, кроме мальтаз синтезируются лактазы и сахаразы , которые осуществляют гидролиз соответствующих дисаридов пищи с образованием глюкоз, галактоз, фруктоз. Продукты полного гидролиза - моносахариды - всасываются в кровь и на этом завершается начальный этап обмена углеводов - пищеварение. С пищей в организм человека поступает клетчатка , которая в пищеварительном тракте не переваривается, поскольку отсутствуют бета гликозидазы. Однако биологическая роль клетчатки велика: она формирует пищевой комок, продвигаясь по желудочно-кишечному тракту она раздражает слизистые оболочки усиливая сокоотделение, клетчатка усиливает перистальтику кишечника, нормализует кишечную микрофлору. Достигая толстого отдела кишечника клетчатка под действием ферментов условно-патогенной микрофлоры подвергается брожению с образованием глюкозы, лактозы и газообразных веществ. 3.3. Биосинтез и распад гликогена БИОСИНТЕЗ И РАСПАД ГЛИКОГЕНА В ТКАНЯХ. ГЛИКОГЕНОВЫЕ БОЛЕЗНИ. Было установлено, что гликоген может синтезироваться практически во всех органах и тканях. Однако наибольшая его концентрация обнаружена в печени (2-6%) и мышцах (0,5-2%). Поскольку мышечная масса организма человека велика, то большая часть гликогена организма содержится в мышцах. Глюкоза из крови легко проникает в клетки органов и тканей, проходя через биологические мембраны клеток. Как только глюкоза поступает в клетку, она метаболизируется в ней в результате первой химической реакции. фосфорилирование глюкозы происходит в присутствии АТФ и фермента гексокиназы. Глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат . Этот эфир глюкозы теперь будет использоваться в анаболических и катаболических реакциях. Глюкоза из клетки может выйти только после реакции гидролиза при участии глюкозо-6-фосфатазы. Этот фермент есть в печени, почках, эпителии кишечника. В других органах, тканях его нет. Процесс биосинтеза гликогена протекает в 4 стадии: Гликогенсинтаза – является трансферазой, которая переносит остатки глюкозы, входящие в УДФ- глюкозу, на гликозидную связь остаточного в клетке гликогена, при этом образуется альфа(1,4)гликозидные связи. Образование альфа(1,6)-гликозидных связей в точках ветвления гликогена катализирует специальный гликоген-ветвящий фермент. Образовавшийся в последней реакции УДФ, превращается в УТФ, при этом при биосинтезе гликогена поглощается еще 1 молекула АТФ. Таким образом, на каждую молекулу глюкозы, включающуюся в структуру гликогена, расходуется 2 молекулы АТФ. Гликоген в клетках накапливается во время пищеварения и рассматривается как резервная форма глюкозы, которая используется клетками в промежутках между приёмами пищи. РАСПАД ГЛИКОГЕНА Существуют 2 пути распада гликогена в тканях: 1. фосфоролитический путь (основной путь) Протекает в печени, почках, эпителии кишечника. Схематически его можно записать в виде 3 реакций: 2. амилолитический путь (неосновной). Протекает в печени при участии 3 ферментов: альфа -амилазы, амило-1,6гликозидазы, гамма - амилазы. Альфа – амилаза расщепляет в структуре крахмала альфа-1,4-гликозидные связи, амило-1,6-гликозидаза-гликозидные связи в точках ветвления, гаммаамилаза гидролизует концевые гликозидные связи в боковых ветвях гликогена. ГЛИКОГЕНОЗЫ - болезни, связанные с нарушением процессов распада гликогена, при этом в клетках печени, почек, мышц гликоген накапливается в большом количестве. Клинически эти заболевания проявляются увеличением печени, мышечной слабостью, гипоглюкоземией натощак. Больные умирают в раннем детском возрасте. Наиболее часто встречаются следующие заболевания: 1.Болезнь Герса (генетический дефект фермента - фосфорилазы печени ). 2. Болезнь Мак-Ардля (генетический дефект фермента - фосфорилазы мышц ). 3. Болезнь Помпе (генетический дефект фермента - амило- 1,4-гликозидазы ). 4. Болезнь Кори (генетический дефект фермента - амило-1.6-гликозидазы ). 5. Болезнь Гирке (генетический дефект фермента - глюкозо- 6-фосфатазы). АГЛИКОГЕНОЗЫ- болезни связанные с нарушением процессов синтеза гликогена в тканях. Характерными проявлениями нарушения синтеза гликогена являются: резкая гипогликемия натощак, рвоты, судороги, потеря сознания. Углеводное голодание клеток мозга приводит к нарушению психо-физического развития у детей. Смерть наступает в раннем детском возрасте. Наиболее часто встречаются: 1. Болезнь Льюиса (генетический дефект фермента – гликогенсинтазы ). 2. Болезнь Андерсена ( генетический дефект фермента - гликоген-ветвящего ). ˜ Раздел верхнего уровня Следующий раздел 3.4.1. Анаэробный гликолиз В зависимости от функционального состояния организма, клетки органов и тканей могут находиться как в условиях достаточного снабжения кислородом, так и испытывать его недостаток, то есть находится в условиях гипоксии. Если катаболизму подвергается глюкоза, то процесс называется ГЛИКОЛИЗОМ, если распадается глюкозный остаток гликогена –ГЛИКОГЕНОЛИЗОМ. В связи с этим катаболизм углеводов может рассматриваться с двух позиций: 1.В АНАЭРОБНЫХ УСЛОВИЯХ 2.В АЭРОБНЫХ УСЛОВИЯХ. АНАЭРОБНЫЙ ГЛИКОЛИЗ (ГЛИКОГЕНОЛИЗ) протекает в цитоплазме клеток. Окисление глюкозы или глюкозного остатка гликогена всегда завершается образованием конечного продукта этого процесса- молочной кислоты. Окисление глюкозы и глюкозного остатка гликогена в тканях отличается только в начальных стадиях превращения, до образования глюкозо-6-фосфата. Дальнейшее окисление углеводов в тканях, как в ана-, так и в аэробных условиях полностью совпадает до стадии образования пирувата. Процесс анаэробного гликолиза сложный и многоступенчатый. Условно его можно разделить на 2 стадии: -первая стадия заканчивается образованием из гексозы двух триоз: диоксиацетонфосфата и глицеральдегид-3-фосфата. -Вторая стадия называется стадией гликолитической оксидоредукции. Эта стадия катаболизма наиболее важная, поскольку она сопряжена с образованием АТФ, за счёт реакций субстратного фосфорилирования, окислением глицральдегид -3-фосфата, восстановлением пирувата до лактата. Схематически реакции катаболизма глюкозы и гликогена в тканях до стадии образовании глюкозо-6 фосфата можно записать следующим образом: Дальнейшее окисление углеводов в анаэробных условиях до образования лактата полностью совпадают: В процессе окисления глюкозы было израсходовано 2 молекулы АТФ (гексокиназная и фосфофруктокиназная реакции). С этапа образования триоз идёт одновременное их окисление. В результате этих реакций образуется энергия в виде АТФ за счёт реакций субстратного фосфорилирования (глицераткиназная и пируваткиназная реакции). На этапе гликолитической оксидоредукции идёт окисление глицеральдегид-3фосфата в присутствии НЗРО4 и НАД- зависимой дегидрогеназы, которая при этом восстанавливается до НАДН2. Митохондрии в анаэробных условиях блокированы, поэтому выделенные в результате окисления молекулы НАДН2 находится в среде до тех пор, пока не образуется субстрат, способный принять их. Пируват, принимая НАДН2, восстанавливается до лактата, завершая тем самым внутренний-окислительно-восстановительный этап гликолиза. НАДокисленный выделяется и может вновь участвовать в окислительном процессе, выполняя роль переносчиков водорода. 3 реакции гликолиза являются необратимыми: 1.гексокиназная. 2.фосфофруктокиназная. 3.пируваткиназная. Энергетический эффект окисления 1 молеклы глюкозы составляет 2 АТФ, глюкозного остатка гликогена-3 АТФ. Биологическая роль анаэробного гликолиза - энергетическая. Анаэробный гликолиз является единственным процессом, продуцирующим энергию в форме АТФ в клетке в бескислородных условиях. В эритроцитах гликолиз является единственным процессом, продуцирующим АТФ и поддерживающим биоэнергетику, для сохранения их функции и целостности. ˜ 3.4.2. Аэробный гликолиз (гексозодифосфатный путь) ГЕКСОЗОДИФОСФАТНЫЙ ПУТЬ. Это классический путь аэробного катаболизма углеводов в тканях протекает в цитоплазме до стадии образования пирувата и завершается в митохондриях с образование конечных продуктов СО2 и Н2О Когда в клетки начинает поступать кислород- происходит подавление анаэробного гликолиза. При этом снижается потребление глюкозы, блокируется образование лактата. Эффект торможения анаэробного гликолиза дыханием получил название эффекта Пастера. Окисление углеводов до стадии образования пирувата происходит в цитоплазме клеток. Затем пируват поступает в митохондрии, где в матриксе подвергается дальнейшему окислению. В результате реакции окислительного декарбоксилирования образуется ацетил-КоА который, в дальнейшем окисляется с участием ферментов цикла Кребса и сопряженных с ним ферментов дыхательной цепи митохондрий (ЦПЭ). Происходит образование конечных продуктов (СО2 иН2О), выделяется энергия в форме АТФ. Н2О образуется на этапе превращения: 1. ГЛИЦЕРАЛЬДЕГИД-3-ФОСФАТА 2. 2-ФОСФОГЛИЦЕРИНОВОЙ КИСЛОТЫ 3. ПИРУВАТА 4. Альфа- КЕТОГЛУТАРОВОЙ КИСЛОТЫ 5. СУКЦИНАТА 4. ИЗОЦИТРАТА 7. МАЛАТА СО2 образуется на этапе превращения: 1. ПИРУВATА 2. ОКСАЛОСУКЦИНАТА 3. Альфа - КЕТОГЛУТАРОВОЙ КИСЛОТЫ. АТФ образуется: А. За счёт реакций СУБСТРАТНОГО ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ на этапе превращения: 1. 1,3-ДИФОСФОГЛИЦЕРИНОВОЙ К-ТЫ 2. 2-ФОСФОЕНОЛПИРУВАТА 3. СУКЦИНИЛА-КОА В. За счёт реакций ОКИСЛИТЕЛЬНОГОФОСФОРИЛИРОВАНИЯ на этапе превращения: 1. ГЛИЦЕРАЛЬДЕГИД-3-ФОСФАТА 2. ПИРУВАТА 3. ИЗОЦИТРАТА 4. альфа – КЕТОГЛУТАРОВОЙ КИСЛОТЫ 5. СУКЦИНАТА 6. МАЛАТА. Энергетический эффект окисления глюкозы в аэробных условиях составляет 38 АТФ, глюкозного остатка гликогена 39 АТФ. рис. Аэробный распад глюкозы ˜ 3.4.2. Аэробный гликолиз (гексозодифосфатный путь) ГЕКСОЗОДИФОСФАТНЫЙ ПУТЬ. Это классический путь аэробного катаболизма углеводов в тканях протекает в цитоплазме до стадии образования пирувата и завершается в митохондриях с образование конечных продуктов СО2 и Н2О Когда в клетки начинает поступать кислород- происходит подавление анаэробного гликолиза. При этом снижается потребление глюкозы, блокируется образование лактата. Эффект торможения анаэробного гликолиза дыханием получил название эффекта Пастера. Окисление углеводов до стадии образования пирувата происходит в цитоплазме клеток. Затем пируват поступает в митохондрии, где в матриксе подвергается дальнейшему окислению. В результате реакции окислительного декарбоксилирования образуется ацетил-КоА который, в дальнейшем окисляется с участием ферментов цикла Кребса и сопряженных с ним ферментов дыхательной цепи митохондрий (ЦПЭ). Происходит образование конечных продуктов (СО2 иН2О), выделяется энергия в форме АТФ. Н2О образуется на этапе превращения: 1. ГЛИЦЕРАЛЬДЕГИД-3-ФОСФАТА 2. 2-ФОСФОГЛИЦЕРИНОВОЙ КИСЛОТЫ 3. ПИРУВАТА 4. Альфа- КЕТОГЛУТАРОВОЙ КИСЛОТЫ 5. СУКЦИНАТА 4. ИЗОЦИТРАТА 7. МАЛАТА СО2 образуется на этапе превращения: 1. ПИРУВATА 2. ОКСАЛОСУКЦИНАТА 3. Альфа - КЕТОГЛУТАРОВОЙ КИСЛОТЫ. АТФ образуется: А. За счёт реакций СУБСТРАТНОГО ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ на этапе превращения: 1. 1,3-ДИФОСФОГЛИЦЕРИНОВОЙ К-ТЫ 2. 2-ФОСФОЕНОЛПИРУВАТА 3. СУКЦИНИЛА-КОА В. За счёт реакций ОКИСЛИТЕЛЬНОГОФОСФОРИЛИРОВАНИЯ на этапе превращения: 1. ГЛИЦЕРАЛЬДЕГИД-3-ФОСФАТА 2. ПИРУВАТА 3. ИЗОЦИТРАТА 4. альфа – КЕТОГЛУТАРОВОЙ КИСЛОТЫ 5. СУКЦИНАТА 6. МАЛАТА. Энергетический эффект окисления глюкозы в аэробных условиях составляет 38 АТФ, глюкозного остатка гликогена 39 АТФ. рис. Аэробный распад глюкозы 3.4.3. Гексозомонофосфатный путь ГЕКСОЗОМОНОФОСФАТНЫЙ ПУТЬ ПРЕВРАЩЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ В ТКАНЯХ, ХИМИЗМ РЕАКЦИЙ. Окисление глюкозы по этому пути протекает в цитоплазме клеток и представлено двумя последовательными ветвями: окислительной и неокислительной. Особенно активно этот путь протекает в тех органах и тканях, в которых активно синтезируются липиды (печень, почки, жировая и эмбриональная ткань, молочные железы). Биологическая роль этого пути окисления глюкозы связывается прежде всего с производством двух веществ: 1.НАДФ*Н2, который в отличие от НАДН2 , не окисляется в дыхательной цепи митохондрий, а используется в клетках в реакциях синтеза и восстановления и гидроксилирования веществ. 2.РИБОЗО-5-ФОСФАТ и его производные, которые используются в клетке для синтеза важнейших биологических молекул: нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), нуклеозидтрифосфатов(НТФ) коферментов (, НАД, ФАД, Н5КОА). Биологическая роль:1 .АНАБОЛИЧЕСКАЯ. 2.ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ. При низком энергетическом статусе клетки излишки пентоз путём обратных реакций неокислительного пути превращаются в глицеральдегид-3-фосфат и фруктозо-6-фосфат которая затем включаются в анаэробный гликолиз, поддерживая биоэнергетику клеток в кризисных ситуациях. Гексозомонофосфатный путь катаболизма глюкозы ещё обозначают как пентозный путь. Окислительная стадия гексозомонофосфатного пути катаболизма глюкозы отличается от классического - гексозодифосфатного пути с этапа превращения глюкозо-6-фосфата: рис. Окислительная стадия гексозомонофосфатного пути катаболизма глюкозы Неокислительная стадия гексозомонофосфатного пути катаболизма глюкозы представлена двумя ТРАНСКЕТОЛАЗНЫМИ реакциями и одной ТРАНСАЛЬДОЛАЗНОЙ. В результате этих реакций образуются субстраты для ГЛИКОЛИЗА, а также вещества характерные для ПЕНТОЗНОГО пути. 1. ТРАНСКЕТОЛАЗНЫЕ реакции: 2. ТРАНСАЛЬДОЛАЗНАЯ реакция: А) СЕДОГЕПТУЛОЗО-7-Ф + ГЛИЦЕРАЛЬД-3-Ф = ФРУКТОЗО-6-Ф + ЭРИТРОЗО-4-Ф. Баланс окислительной и неокислительной стадий гексозомонофосфатного пути превращения глюкозы можно записать в виде суммарного уравнения реакции. 3.4.4. Глюконеогенез ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ Основными источниками глюкозы для организма человека являются: 1. углеводы пищи; 2. гликоген тканей; 3. глюконеогенез. ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ - это биосинтез глюкозы из неуглеводных предшественников, главными из которых являются ПИРУВАТ, ЛАКТАТ, ГЛИЦЕРИН, МЕТАБОЛИТЫ ЦТК КРЕБСА, АМИНОКИСЛОТЫ. ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ возможен не во всех тканях. Главным местом синтеза глюкозы является печень, в меньшей степени процесс идёт в почках и слизистой кишечника. Биологическая роль глюконеогенеза заключается не только в синтезе глюкозы, но и в возвращении лактата, образованного в реакциях анаэробного ГЛИКОЛИЗА, в клеточный фонд углеводов. За счет этого процесса поддерживается уровень глюкозы в тканях в кризисных ситуациях (при углеводном голодании, сахарном диабете, тканевой гипоксии). Большинство реакций ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗА представляют собой обратные реакции ГЛИКОЛИЗА, за исключением трёх термодинамически необратимых: ПИРУВАТКИНАЗНОЙ, ФОСФОФРУКТОКИНАЗНОЙ, ГЕКСОКИНАЗНОЙ. Эти реакции при ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗЕ имеют обходные пути и связаны с образованием 2-фосфоенолпирувата, фруктозо-6-фосфата и глюкозы. Обходные реакции Образовавшаяся в реакциях глюконеогенеза, глюкоза может вновь участвовать в клеточном метаболизме как пластический, энергетический материал, откладываться про запас в виде гликогена. 4.1. Основные липиды организма человека их биологическая роль. ЛИПИДАМИ называются сложные органические вещества биологической природы нерастворимые в воде, но растворимые в органических растворителях. ЛИПИДЫ являются основным продуктом питания. Они поступают в организм человека с продуктами растительного и животного происхождения. Суточная потребность в ЛИПИДАХ для взрослого человека в среднем составляет 80-100 г. В организме человека ЛИПИДЫ представлены: 1.СТРУКТУРНЫМИ ЛИПИДАМИ (ХОЛЕСТЕРОЛ, ГЛИКОЛИПИДЫ). 2.РЕЗЕРВНЫМИ ЛИПИДАМИ (ТРИАЦИЛГЛИЦЕРОЛЫ). ФОСФОЛИПИДЫ, 3.Свободными липидами (липопротеины крови: хиломикроны (хм), липопротеины очень низкой плотности (лпонп), липопротеины низкой плотности (лпнп), липопротеины высокой плотности (лпвп). БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЛИПИДОВ 1.Структурная. ЛИПИДЫ являются обязательным структурным компонентом биологических мембран клеток (холестерол, фосфолипиды, гликолипиды). 2.Резервная. ЛИПИДЫ могут откладываться про запас в жировых депо клеток (триацилглицеролы, ВЖК, витамины А,Д,Е,К). 3.Энергетическая. При окислении 1 г ЛИПИДОВ до конечных продуктов(СО2,Н2О) выделяется около 9,3 ккал энергии. 4.Механическая. ЛИПИДЫ подкожной жировой клетчатки, соединительной ткани предохраняют внутренние органы от механических повреждений. 5 .Теплоизолирующая. Защищают организм от переохлаждения и перегревания. 6.Транспортная - участвуют в транспорте веществ через липидный слой биомембран клеток. 7.Регуляторная. Некоторые гормоны являются производными холестерола, их относят к стероидным соединениям (АНДРОГЕНЫ, ЭСТРОГЕНЫ, ГЛЮКО-и МИНЕРАЛОКОРТИКОИДЫ). Эссенциальные ПНВЖК, входящие в состав липидов служат предшественниками биологически активных веществ ЭЙКОЗАНОИДОВ (ПРОСТАГЛАНДИНОВ, ПРОСТАЦИКЛИНОВ,ТРОМБОКСАНОВ,ЛЕЙКОТРИЕНОВ), регулирующих клеточный метаболизм в тканях и органах по месту их образования, участвующих в координации обмена веществ. 10.Растворяющая роль. В ЛИПИДАХ растворяются жирорастворимые витамины A, D, E, К. 11.Питательная. С липидами пищи в организм поступают незаменимые ВЖК (эссенциальные), которые имеют 2 и более двойных связей. 4.2. Переваривание липидов, ресинтез жира Переваривание липидов. Поступающие с пищей ЛИПИДЫ в ротовой полости подвергаются только механической переработке. ЛИПОЛИТИЧЕСКИЕ ферменты в ротовой полости не образуются. Переваривание жиров у взрослого человека будет происходить в кишечнике, где для этого имеются все условия: 1. Наличие желчных кислот. 2. Наличие ферментов. 3. Оптимальная рН среды. У детей до 1 года в кишечнике выделяется ЛИПАЗА, рН оптимум находится в слабо кислой среде (рН = 5,0-5,5). Под влиянием этого фермента расщепляются только эмульгированные жиры молока. У взрослого человека желудочная липаза не активна, т.к. рН желудочного содержимого в норме лежит в резко- кислой среде (рН =1,5 - 2,5). Поэтому, переваривание жиров в желудке у взрослых людей не происходит. Основным местом переваривания липидов пищи в желудочнокишечном тракте у взрослого человека служит тонкий отдел кишечника. В переваривании принимают участие желчные кислоты, образованные в печени, ЛИПОЛИТИЧЕСКИЕ ферменты, образованные в поджелудочной железе и слизистой оболочке кишечника. При поступлении пищи из желудка в двенадцатиперстную кишку в слизистой оболочке начинают выделяться регуляторы: СЕКРЕТИН, ХОЛЕЦИСТОКИНИН, ХИМОДЕНИН, ЭНТЕРОКРИНИН, которые обеспечивают: -образование желчи в печени, -сокращение желчного пузыря, -выделение панкреатического сока, -секрецию желез тонкого отдела кишечника. Важную роль в переваривании липидов в пищи играют желчные кислоты. Все они образуются в печени и являются конечным продуктом окисления холестерина в организме. В основе их строения лежит структура циклопентанпергидрофенантрена. рис. Строение желчных кислот Холевая кислота является источником образования желчных кислот. Производными холевой кислоты являются: ХЕНОДЕЗОКСИХОЛЕВАЯ КИСЛОТА, у которой оксигруппы имеются в 3 и 7 положениях. -ДЕЗОКСИХОЛЕВАЯ КИСЛОТА,у которой оксигруппы имеются в 3 и 12 положениях. -ЛИТОХОЛЕВАЯ КИСЛОТА, у кторой оксигруппа находится в 3 положении. Как правило, все желчные кислоты в печени конъюгируются с глицином или таурином . БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЖЕЛЧНЫХ КИСЛОТ: 1. 2. Эмульгируют пищевые жиры. Активируют ЛИПОЛИТИЧЕСКИЕ ферменты. 3. Выполняют роль переносчиков трудно растворимых в воде продуктов гидролиза жира в стенку кишечника. При ЭМУЛЬГИРОВАНИИ жир дробится на мелкие частицы, стабилизируется, увеличивается поверхность контактов с ЛИПОЛИТИЧЕСКИМИ ферментами. Стабилизированная эмульсия жира далее подвергается гидролизу под влиянием панкреатических ферментов (ЛИПАЗ, ХОЛЕСТЕРОЛЭСТЕРАЗ, ФОСФОЛИПАЗ). Т.о. в результате гидролиза пищевого жира образуются глицерины, холестерины, ВЖК, фосфаты, азотистые основания. Необходимо отметить, что в расщеплении жиров принимают участие и кишечные ЛИПАЗЫ, но их активность невысока, к тому же они расщепляют только МОНОГЛИЦЕРИДЫ и не действуют на ДИ- и ТРИГЛИЦЕРИДЫ. Установлено, что всасывание продуктов гидролиза жира имеет свою особенность. Легко всасываются слизистой кишечника спирты, фосфаты, АК, коротко цепочные ВЖК, азотистые основания. Трудно растворимые в воде продукты гидролиза (холестерин, ВЖК, МОНОГЛИЦЕРИДЫ), жирорастворимые витамины всасываются только в комплексе с желчными кислотами. Эти комплексы называются ХОЛЕИНОВЫМИ. В таком виде трудно растворимые в воде соединения проходят через мембраны ЭНТЕРОЦИТОВ. В этих клетках ворсинок кишечника происходит их распад. При этом желчные кислоты сразу же поступают в ток крови и через систему воротной вены доставляются в печень. Оттуда они в составе желчи вновь попадают в кишечник и могут участвовать в новом акте переваривания жира, либо удаляются из организма в составе каловых масс – КОПРОСТЕРИН. Установлено, что обязательный фонд желчных кислот у взрослого человека составляет 2,8 -3,5 гр, при этом они совершают 5-6 оборотов в сутки за счёт печёночнокишечной циркуляции. После того как продукты гидролиза жира поступили в ЭНТЕРОЦИТЫ, в стенке кишечника начинают синтезироваться жиры, специфические для данного организма, которые по своему строению отличаются от пищевого жира. Механизм ресинтеза жира в стенке кишечника сводится к следующему: Сначала происходит активация глицерина и ВЖК затем последовательно будет происходить АЦИЛИРОВАНИЕ альфа -ГЛИЦЕРОФОСФАТА с образованием МОНО- и ДИГЛИЦЕРИДОВ. Активная форма ДИГЛИЦЕРИДА - ФОСФАТИДНАЯ К-ТА занимает центральное место в синтезе жира к стенке кишечника. Из неё после активации в присутствии ЦТФ образуется ЦДФ -ДИАЦИЛГЛИЦЕРИД, который даёт начало сложным жирам. рис. Механизм ресинтеза жира в стенке кишечника ˜ 4.3. Липопротеины крови ЛИПИДЫ являются нерастворимыми в воде соединениями, поэтому для их переноса кровью необходимы специальные переносчики, которые растворимы в воде. Такими транспортными формами являются ЛИПОПРОТЕИНЫ. Они относятся к свободным ЛИПИДАМ. Синтезированный жир в стенке кишечника, либо жир синтезированный в других тканях органах может быть транспортирован кровью лишь после включения в состав ЛИПОПРОТЕИНОВ, где роль стабилизатора играют белки. По своему строению мицеллы ЛИПОПРОТЕИНЫ имеют наружный слой и ядро. Наружный слой формируется из БЕЛКОВ, ФОСФОЛИПИДОВ и ХОЛЕСТЕРИНА, которые имеют гидрофильные полярные группы и проявляют сродство к воде. Ядро состоит из ТРИГЛИЦЕРИДОВ, ЭФИРОВ ХОЛЕСТЕРИНА, ВЖК, витаминов A, D, Е, К. Т.о. нерастворимые жиры легко транспортируются по всему организму после синтеза в стенке кишечника, а также синтеза в других тканях между клетками, которые их синтезируют и используют. Выделяют 4 класса ЛИПОПРОТЕИНОВ крови, которые отличаются друг от друга по своему химическому состоянию, размерам мицелл и транспортируемым жирам. Поскольку они имеют различную скорость оседания в растворе поваренной соли, их разделяют на: 1. ХИЛОМИКРОНЫ. Образуются в стенке кишечника и имеют самый крупный размер частиц. 2. ЛПОНП. Синтезируются в стенке кишечника и печени. 3. ЛПНП. Образуются в эндотелии капилляров из ЛПОНП. 4. ЛПВП. Образуются в стенке кишечника и печени. Т.о. транспортные ЛП крови синтезируются двумя видами клеток ЭНТЕРОЦИТАМИ и ГЕПАТОЦИТАМИ. Было установлено, что ЛП крови при электрофорезе белков движутся в зоне альфа и бета - ГЛОБУЛИНОВ, поэтому их по электрофоретической подвижности ещё обозначают как: Пре-бета- ЛП =ЛПОНП, Бета-ЛП=ЛПНП, Альфа-ЛП=ЛПВП. рис. Химический состав липопротеинов крови ХИЛОМИКРОНЫ (ХМ) как самые крупные частицы при электрофорезе остаются на старте. Максимальная их концентрация достигается к 4 - 6 час.после приёма пищи. Расщепляются они под действием фермента - ЛИПОПРОТЕИДЛИПАЗЫ, который образуется в печени, легких, жировой ткани эндотелии сосудов. Принято считать, что ХИЛОМИКРОНЫ (ХМ) отсутствуют в крови натощак и появляются только после приёма пищи ХМ преимущественно транспортируют ТРИАЦИЛГЛИЦЕРИДЫ (до 83 %). ЛПОНП и ЛПНП в основном транспортируют холестерин и его эфиры в клетки органов и тканей. Эти фракции относятся к АТЕРОГЕННЫМ. ЛПВП- принято обозначать как АНТИАТЕРОГЕННЫМИ ЛП, которые осуществляют транспорт ХОЛЕСТЕРИНА (излишки холестерина освобождённый в результате распада мембран клеток холестерин) в печень для последующего окисления с участием цитохрома Р450 с образованием желчных кислот, которые выводятся из организма в виде КОПРОСТЕРИНОВ. Распадаются ЛИПОПРОТЕИНЫ крови после эндоцитоза в ЛИЗОСОМАХ и МИКРОСОМАХ: под действием ЛИПОПРОТЕИДЛИПАЗЫ в клетках печени, почек, надпочечников, кишечника жировой ткани, эндотелия капилляров. Продукты гидролиза ЛП вовлекаются в клеточный метаболизм. ˜ 4.4. Окисление высших жирных кислот Жировая ткань, состоящая из адипозоцитов, выполняет специфическую роль в липидном обмене. Около 65% массы жировой ткани приходится на долю отложенных в ней триацилглицеролов (ТАГ) - они представляют собой форму запасания энергии и выполняют в обмене жиров такую же функцию, как гликоген печени в обмене углеводов. Отложенные жиры в жировой ткани служит источником эндогенной воды и энергетическим резервом для организма человека. ТАГ используется в организме после предварительного расщепления (липолиза), в ходе которого освобождаются глицерин и свободные жирные кислоты. В клетках жировой ткани при участии липаз происходит распад ТАГ. Липаза находится в неактивной форме, она активируется гормонами (адреналином, норадреналином, глюкагоном, тироксином, глюкокортикоидами, СТГ, АКТГ) в ответ на стресс, голодание, охлаждение продуктами реакции являются моноацилглицерин и ВЖК. ВЖК с помощью альбуминов переносятся кровью к клеткам тканей, органов, где происходит их окисление. Окисление высших жирных кислот. Источники ВЖК: - липиды жировой ткани - липопротеины -триацилглицерины -фосфолипиды клеточных биомембран Окисление ВЖК происходят в митохондриях клеток, и называется бетта окислением. Доставка их к тканям и органам происходит при участии альбумина, а транспорт из цитоплазмы в митохондрии при участии карнитина. Процесс бета-окисления ВЖК складывается из следующих этапов: -активация ВЖК на наружной поверхности мембраны митохондрий при участии АТФ, конзима А и ионов магния с образованием активной формы ВЖК (ацил КоА). -транспорт жирных кислот внутрь митохондрий возможен при присоединении активной формы жирной кислоты к карантину, находящемуся на наружной поверхности внутренней мембраны митохондрий. Образуется ацил-карнитин, обладающий способностью проходить через мембрану. На внутренней поверхности комплекс распадается и карнитин возвращается на наружную поверхность мембраны. -внутримитохондриальное окисление жирных кислот состоит из последовательных ферментативных реакций. В результате одного завершенного цикла окисления происходит отщепление от жирой кислоты одной молекулы ацетил-КоА, т.е. укорочение жирнокислотной цепи на два углеродных атома.Приэтом в результате двух дегидрогеназных реакций восстанавливается ФАД до ФАДН2 и НАД+ до НАДН2. рис. Окисление высших жирных кислот Т.о. завершая 1 цикл бега - окисления ВЖК, в результате которого ВЖК укоротилось на 2 углеродных звена. При бета -окислении выделилось 5АТФ и 12АТФ выделилось при окислении АЦЕТИЛ-КОА в ЦТК и сопряженных с ним ферментов дыхательной цепи. Окисление ВЖК будет происходить циклически одинаково, но только до последней стадии - стадии превращения масляной кислоты (БУТИРИЛ-КОА), которая имеет свои особенности, которые необходимо учитывать при подсчёте суммарного энергетического эффекта окисления ВЖК, когда в результате одного цикла образуется 2 молекулы АЦЕТИЛ-КОА, одна из них проходила бета -окисление с выделением 5АТФ, а другая нет. рис. Последняя стадия окисления высших жирных кислот ОКИСЛЕНИЕ ВЖК, ИМЕЮЩИХ НЕЧЕТНОЕ КОЛИЧЕСТВО УГЛЕРОДНЫХ ЗВЕНЬЕВ В ЦЕПИ Такие ВЖК поступают в организм человека в составе пищи с мясом жвачных животных, растений, морских организмов. Окисление таких ВЖК происходит также как и ВЖК, имеющих чётное количество углеродных звеньев в цепи, но только до последней стадии - стадии превращения ПРОПИОНИЛ-КОА. которая имеет свои особенности. Т.о. образуется СУКЦИНИЛ-КОА, который в дальнейшем окисляется в МИТОХОНДРИЯХ с участием ферментов ЦТК КРЕБСА и сопряженных с ним ферментов дыхательной цепи. 4.5. Окисление глицерина Окисление глицерина в тканях тесно связано с ГЛИКОЛИЗОМ, в который вовлекаются метаболиты обмена глицерина по следующей схеме: При окислении глицерина образовались конечные продукты: СО2 на этапе превращения: 1. ПИРУВАТА 2. ИЗОЦИТРАТА 3. Альфа-КЕТОГЛУТАРАТА Н2О на этапе превращения: 1 . альфа -ГЛИЦЕРОФОСФАТА 2. ГЛИЦЕРАЛЬДЕГИД-3-ФОСФАТА 3. 2-ФОСФОГЛИЦЕРАТА 4. ПИРУВАТА 5. ИЗОЦИТРАТА 6. Альфа-КЕТОГЛУТАРАТА 7. СУКЦИНАТА 8. МАЛАТА АТФ выделилось за счёт реакций А) Субстратного фосфорилиования на этапах превращения: 1. 1,3-дифосфоглицерата 2.2-фосфоенолпирувата 3.Сукцинил-КоА Б) Окислительного фосфорилирования на этапах превращения: 1.Альфа-глицерафосфата 2.Глицеральдегид-3 фосфата 3.Пирувата 4.Изоцитрата 5. Альфа-КЕТОГЛУТАРАТА 6.Сукцината 7.Малата Суммарный энергетический эффект окисления одной молекулы глицерина равен 22 АТФ. 4.6. Биосинтез ВЖК в тканях Биосинтез ВЖК происходит в эндоплазматической сети клеток. Заменимые ВЖК (все предельные и непредельные, имеющих одну двойную связь) синтезируются в клетках из АЦЁТИЛ-КоА. Условиями для биосинтеза ВЖК являются: 1.Наличие АЦЕТИЛ-КоА, АТФ, СО2, Н2О, НАДФ*Н2, 2.Наличие специальных белков-переносчиков (HS -АПБ). 3.Наличие ферментов синтеза. Процесс биосинтеза циклический. Каждый цикл включает в себя 6 этапов: 1 этап- образование 3-углеродного соединения - МАЛОНИЛ-КОА; 2 этап- перенос МАЛОНИЛА и АЦЕТИЛА на специальные белки ( HS-АПБ); 3. этап- конденсация МАЛОНИЛА-АПБ и АЦЕТИЛА-АПБ с участием СИНТАЗЫ; 4. этап- восстановление бета -КЕТОАЦИЛ-АПБ; 5.этап- дегидратация бета-ГИДРОКСИАЦИЛ-АПБ; 6.этап- восстановление ЕНОИЛАЦИЛ-АПБ. рис. Биосинтез ВЖК Т.о. завершается 1 цикл синтеза ВЖК образованием масляной кислоты (БУТИРИЛ-АПБ). В дальнейшем последовательно и циклично к ней будут присоединяться молекулы МАЛОНИЛ-КоА. Завершается биосинтез любой ВЖК в тканях ДЕАЦИЛАЗНОЙ реакцией. 4.7. Обмен холестерина Обмен холестерина. Холестерин является предшественником в синтезе стероидов: желчных кислот, стероидных гормонов, витамина D3.Холестерин является обязательным структурным компонентом мембран клеток. Источниками холестерина для клеток является пища (экзогенный холестерин), а также холестерин, синтезированный в печени, кишечнике, коже (эндогенный холестерин). На долю печени приходится около 85% всего эндогенного холестерина. кишечнике синтезируется около 10% а,коже-5% эндогенного холестерина. Печень и кишечник участвуют в распределении холестерина между клетками органов и ткани через транспортные липопротеины крови. Биологическая роль холестерина: 1.Структурная. Свободный холестерин является, обязательным структурным компонентом мембран клеток. 2.Метаболическая. Холестерин является предшественником биологически активных веществ: витамина D3 СТЕРОИДНЫХ гормонов (АНДРОГЕНОВ, ЭСТРОГЕНОВ, КОРТИКОИДОВ) При окислении холестерина в печени при участии ЦИТОХРОМА Р-450 образуются желчные кислоты, которые принимают участие в переваривании жиров пищи. Наиболее богаты холестерином плазматические мембраны ГЕПАТОЦИТОВ, где на его долю приходится 30% всех мембранных липидов. Содержание холестерина в миелине составляет 20%. В свободном виде холестерин транспортируется по организму с помощью транспортных ЛИПОПРОТЕИНОВ крови. Источники холестерина: 1. Пища. За сутки в организм взрослого человека поступает 0,3гр. холестерина. 2. У человека в среднем с массой 65-70кг за сутки синтезируется 3.5 -4,2гр. холестерина. Печень занимает главное место в синтезе холестерина (85%), в меньшей степени холестерин синтезируется в кишечнике (10%) и коже (5%). На экспорт холестерин синтезируется только в печени и кишечнике. Процесс биосинтеза сложный и многоступенчатый, происходит в цитоплазме клеток. В нём участвуют более 100 ферментов, включает 35 уравнений химических реакций. Биосинтез холестерина можно разделить на 3 стадии: 1.-биосинтез мевалоновой кислоты; 2.-образование сквалена; 3.-циклизация сквалена и образование холестерина рис. Биосинтез холестерина Регуляторным ферментом, от активности которого зависит возможность и интенсивность биосинтеза холестерина является бета-гидроксиметил-глутарил - КоА –редуктаза. Этот фермент является объектом действия лекарственных гипохолестеринемических препаратов. Источником образования холестерина является ацетил-КоА при распаде белков, липидов и углеводов Образовавшийся в результате распада мембранных ЛИПИДОВ, а также излишки холестерина клеток выводятся с помощью ЛПВП для последующего окисления в печень.Конечными продуктами окисления холестерина и его производных являются желчные кислоты,которые удаляется из организма в составе каловых масс в виде КОПРОСТЕРИНОВ. 5.1. Переваривание белков Переваривание белков в пищеварительном тракте Пищевые белки подвергаются гидролитическому расщеплению под действием ПРОТЕОЛИТИЧЕСКИХ ФЕРМЕНТОВ (класс – гидролазы, подкласс пептидазы). Большинство этих ферментов вырабатывается в неактивной форме, т.е. в форме ПРОФЕРМЕНТОВ, а затем активируются путём ЧАСТИЧНОГО ПРОТЕОЛИЗА. Это предохраняет стенки пищеварительного тракта от самопереваривания. Проферменты вырабатываются в клетках слизистой оболочки желудка или кишечника, клетках поджелудочной железы и поступают в полость желудка или кишечника, где происходит их активация. В ротовой полости белки не подвергаются каким-либо химическим превращениям, т.к. здесь отсутствуют ферменты, действующие на белки. Здесь происходит лишь механическая переработка пищи. В желудке начинается химическое превращение белков. Здесь действуют два основных фермента: ПЕПСИН и ГАСТРИКСИН. ПЕПСИН вырабатывается главными клетками слизистой оболочки желудка в неактивной форме - ПЕПСИНОГЕН, который под действием соляной кислоты активируется и превращается в активный ПЕПСИН. Под влиянием соляной кислоты ПЕПСИНОГЕН активируется медленно. Более быстро активация происходит под влиянием ПЕПСИНА, т.е. процесс активации является АУТОКАТАЛИТИЧЕСКИМ. Механизм активации ПЕПСИНОГЕНА - ЧАСТИЧНЫЙ ПРОТЕОЛИЗ. От пептидной цепи неактивного ПЕПСИНОГЕНА со стороны N-конца отрывается один ПЕПТИД, содержащий 42 аминокислоты. Затем из остатка цепи формируется новая трёхмерная структура фермента - пепсина и новый активный центр фермента. СОЛЯНАЯ КИСЛОТА вырабатывается обкладочными клетками слизистой желудка и играет очень важную роль в переваривании белков: 1. активирует пепсиноген, превращая его в пепсин; 2. создаёт оптимум рН для действия пепсина (1,5 - 2); 3. обладает бактерицидным действием; 4. денатурирует белки; 5. способствует продвижению желудочного содержимого далее в кишечник. Пепсин - это фермент, который является ЭНДОПЕПТИДАЗОЙ, т.е. действует на внутренние ПЕПТИДНЫЕ связи, в образовании которых участвуют аминогруппы ароматических аминокислот (ФЕН, ТИР, ТРИ). ГАСТРИКСИН по действию аналогичен пепсину. Это тоже ЭНДОПЕПТИДАЗА. Его оптимум рН = 3 - 3,5. Действует на ПЕПТИДНЫЕ связи, в образовании которых участвуют ДИКАРБОНОВЫЕ аминокислоты (ГЛУ, АСП) своими КАРБОКСИЛЬНЫМИ группами. В желудке под действием ПЕПСИНА и ГАСТРИКСИНА сложные белковые молекулы распадаются на высокомолекулярные ПОЛИПЕПТИДЫ. Ими являются так называемые АЛЬБУМОЗЫ, ПЕПТОНЫ, которые поступают в тонкий кишечник. В тонком кишечнике эти ПОЛИПЕПТИДЫ подвергаются действию целого ряда протеолитических ферментов поджелудочной железы, которые вырабатываются в неактивной форме: ТРИПСИНОГЕН, ХИМОТРИПСИНОГЕН, ПРОЭЛАСТАЗА, ПРОКАРБОКСИПЕПТИДАЗА. Механизм активации всех этих ферментов - ЧАСТИЧНЫЙ ПРОТЕОЛИЗ по каскадному механизму. рис. Активация протеолитических ферментов ТРИПСИН, ХИМОТРИПСИН, ЭЛАСТАЗА - ЭНДОПЕПТИДАЗЫ. ТРИПСИН разрушает внутренние ПЕПТИДНЫЕ связи, в образовании которых принимают участие лиз и арг. ХИМОТРИПСИН разрушает внутренние связи, в образовании которых принимают участие ароматические аминокислоты (тир, три, фен). ЭЛАСТАЗА разрушает внутренние ПЕПТИДНЫЕ связи, в образовании которых принимают участие ала, гли, про. КАРБОКСИПЕПТИДАЗА разрушает наружные пептидные связи, отщепляя аминокислоты с С-конца полипептидной цепи. АМИНОПЕПТИДАЗА (образуется в слизистой оболочке тонкого кишечника) действует на крайние ПЕПТИДНЫЕ связи со стороны N-конца, отщепляя отдельные аминокислоты. ДИПЕПТИДЫ подвергаются действию ДИПЕПТИДАЗ, продуцирующихся слизистой кишечника сразу в активной форме. Т.о. в результате действия всей этой группы ферментов в ЖКТ белки пищи расщепляются до аминокислот. Образующиеся аминокислоты всасываются в кровь и поступают во все органы и ткани. Аминокислоты, которые не подверглись всасыванию, поступают в толстую кишку, где с ними происходят определенные реакции (гниение аминокислот). 5.2. Гниение аминокислот, обезвреживание продуктов гниения ГНИЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ Аминокислоты, которые не подверглись всасыванию, поступают в толстую кишку, где подвергаются гниению. ГНИЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ - это процесс распада аминокислот под действием ферментов, вырабатывающихся микрофлорой толстого отдела кишечника. подвергаются следующим превращениям: Аминокислоты при гниении РЕАКЦИИ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЯ: Подвергаются орнитин и лизин. ОРНИТИН в состав белков не входит, но обязательно содержится в организме. Проукты декарбоксилирования - ПУТРЕСЦИН и КАДАВЕРИН - являются токсическими веществами. Они входят в состав трупных ядов. Рис. Превращение орнитина и лизина ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЕ ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ: (на примере аланина) ДЕСУЛЬФИРОВАНИЕ Десульфированию подвергаются серосодержащие аминокислоты (метионин, цистеин). В результате образуются сероводород, метилмеркаптан. РАСПАД ЦИКЛИЧЕСКИХ АМИНОКИСЛОТ При распаде тирозина, фенилаланина, триптофана образуются метан, углекислый газ, аммиак, фенол, крезол, индол. Все эти вещества токсические. Они поступают в печень, где и происходит их обезвреживание. В печени имеется две системы, участвующие в обезвреживании этих веществ: 1. УДФГК - УРИДИНДИФОСФОГЛЮКУРОНОВАЯ К-ТА. 2. ФАФС - ФОСФОАДЕНОЗИНФОСФОСУЛЬФАТ. Процесс обезвреживания - это процесс конъюгации токсических веществ с компонентами одной из этих систем, и образования конъюгатов, которые являются уже нетоксичными веществами. Рис. Обезвреживание фенола, крезола, индола ИНДОКСИЛСУЛЬФАТ нейтрализуется и превращается в натриевую или калиевую соль. Все эти вещества выводятся из организма с мочой. В норме реакция на индол должна быть отрицательна. При положительной реакции на индол - нарушена обезвреживающая функция печени. Положительная реакция на ИНДИКАН наблюдается при очень активном гниении белков в толстом кишечнике. 5.3. Метаболизм аминокислот Метаболизм аминокислот Источниками аминокислот в клетке являются: 1. белки пищи после их гидролиза в органах пищеварения; 2. синтез заменимых аминокислот; 3. распад тканевых белков. Тканевые белки подвергаются гидролитическому расщеплению при участии тканевых ПРОТЕАЗ - КАТЕПСИНОВ, которые в основном находятся в ЛИЗОСОМАХ. Выделяют разные КАТЕПСИНЫ, которые отличаются оптимумом рН и специфичностью действия. Распад тканевых белков необходим для обновления белков, а также для устранения дефектных молекул белка. Несмотря на то, что почти для каждой аминокислоты выяснены индивидуальные пути обмена, известен ряд превращений, общих для многих аминокислот: · ТРАНСАМИНИРОВАНИЕ; · ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ; · ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ. ТРАНСАМИНИРОВАНИЕ – реакции межмолекулярного переноса аминогруппы от аминокислоты на кетокислоту без промежуточного образования аммиака. Особенности реакций трансаминирования: · протекают при участии ферментов - аминотрансфераз; · для реакций необходим кофермент – пиридоксальфосфат (ПФ); · реакции обратимы; · могут подвергаться все аминокислоты кроме лиз, тре; · в результате реакции образуются новая аминокислота и новая кетокислота. Рис. Пример реакции аминотрансферазы) трансаминирования (действие аспарагиновой Роль реакций ТРАНСАМИНИРОВАНИЯ: 1. Синтез заменимых аминокислот. При этом происходит перераспределение азота в органах и тканях; 2. Являются начальным этапом катаболизма аминокислот. Реакции ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЯ – отщепление альфа – карбоксильной группы аминокислот в виде углекислого газа. При этом аминокислоты в тканях образуют биогенные амины, которые являются биологически активными веществами (БАВ). Среди них могут быть соединения, которые выполняют функции: 1. НЕЙРОМЕДИАТОРОВ (СЕРОТОНИН, ДОФАМИН, ГАМК), 2. Гормоны (АДРЕНАЛИН, НОРАДРЕНАЛИН), 3. Регуляторы местного действия (ГИСТАМИН). Рис. Декарбоксилирование глутаминовой килоты ГАМК является НЕЙРОМЕДИАТОРОМ тормозного действия, поэтому препараты на основе ГАМК используются в клинике для лечения некоторых заболеваний ЦНС. Эта реакция используется в педиатрической практике: детям при сильном возбуждении используют раствор витамина В6, который стимулирует процесс образования ГАМК. ДОФАМИН является НЕЙРОМЕДИАТОРОМ возбуждающего действия. Он является основой для синтеза АДРЕНАЛИНА и НОРАДРЕНАЛИНА. Рис. Декарбоксилирование гистидина Реакции ДЕЗАМИНИРОВАНИЯ - отщепление NН2-группы в виде аммиака. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ. Непосредственно, ОКИСЛИТЕЛЬНОМУ подвергается только ГЛУ. ДЕЗАМИНИРОВАНИЮ Рис. Окислительное дезаминирование глутаминовой кислоты НЕПРЯМОЕ ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ Этому виду дезаминирования подвергаются остальные аминокислоты, но через стадию трансаминирования с альфа-кетоглутаровой кислотой. Затем глутаминовая кислота (продукт этой реакции) подвергается окислительному дезаминированию. 5.4. Пути обезвреживания аммиака Аммиак образуется из аминокислот при распаде других азотсодержащих соединений (биогенных аминов, НУКЛЕОТИДОВ). Значительная часть аммиака образуется в толстой кишке при гниении. Он всасывается в кровь системы воротной вены, здесь концентрация аммиака больше, чем в общем кровотоке. Аммиак образуется в различных тканях. Концентрация его в крови незначительна, т.к. он является токсичным веществом (0,4 - 0,7мг/л). Особенно выраженное токсическое действие он оказывает на нервные клетки, поэтому значительное его повышение приводит к серьёзным нарушениям обменных процессов в нервной ткани. ПУТИ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ АММИАКА. 1. образование АМИДОВ Рис. Образование глутамина ГЛУТАМИН и АСПАРАГИН - нетоксические вещества. Их называют транспортной формой аммиака в организме. Они не проникают через мембраны и в почках распадаются до аминокислот и аммиака. 2. Восстановительное АМИНИРОВАНИЕ альфа – кетоглутаровой кислоты 3. Образование солей АММОНИЯ 4. Синтез мочевины - основной путь обезвреживания аммиака ОРНИТИНОВЫЙ ЦИКЛ. АРГИНАЗА обладает абсолютной специфичностью и содержится только в печени. В составе мочевины содержится два атома азота: один поступает из аммиака, а другой выводится из АСП. Образование мочевины идёт только в печени. Две первые реакции цикла (образование ЦИТРУЛЛИНА и АРГИНИНОСУКЦИНАТА) идут в МИТОХОНДРИЯХ, остальные в цитоплазме. В организме в сутки образуется 25г мочевины. Этот показатель характеризует мочевинообразовательную функцию печени. Мочевина из печени поступает в почки, где и выводится из организма, как конечный продукт азотистого обмена. 6. Регуляция обмена веществ СИГНАЛЬНЫЕ МОЛЕКУЛЫ. Основные задачи регуляции метаболизма и клеточных функций: 1. внутриклеточное и межклеточное согласование обменных процессов; 2. исключение «холостых» циклов метаболизма, продукты которых не востребованы; 3. эффективное образование и использование энергии; 4. поддержание гомеостаза; 5. приспособление организма к условиям окружающей среды. Выделяют 2 вида регуляции метаболизма: внутренняя и внешняя. В случае внутренней регуляции управляющие сигналы образуются и действуют внутри одной и той же клетки (саморегуляция). Внутреня регуляция обеспечивается аллостерическими ферментами, активность которых изменяется при изменении концентрации метаболитов в клетке. В случае внешней регуляции - управляющие сигналы поступают к клетке из внешней среды. Внешняя регуляция обеспечивается сигнальными молекулами. Сигнальные молекулы - эндогенные химические соединения, которые в результате взаимодействия с рецепторами, обеспечивают внешнее управление биохимическими процессами в клетках-мишенях. Клетка-мишень - это клетка, имеющая рецепторы для данного вида сигнальных молекул. Сигнальные молекулы являются лигандами для рецепторов клетокмишеней. Характерные особенности сигнальных молекул: 1. малый период жизни (обеспечивает динамичность, оперативность регуляции); 2. высокая биологическая активность (действие развивается при очень низких концентрациях); 3. уникальность, неповторимость действия. Эффекты одного типа сигнальных молекул не могут быть смоделированы другим. Это обеспечивает разнообразие регуляции; 4. наличие эффекта усиления (одна молекула инсулина активирует десятки белков-транспортеров глюкозы); 5. один вид сигнальных молекул может иметь несколько клеток-мишеней (для адреналина рецепторы находятся на мембранах мыщечных и жировых клеток); 6. реакция разных клеток-мишеней на одну и ту же сигнальную молекулу отличается. Способы внешнего управления клетками-мишенями: 1. Управление экспрессией генов (управление количеством ферментов); 2. Управление активностью ранее синтезированных ферментов; 3. Сочетание этих двух способов. Виды регуляторных эффектов сигнальных молекул: 1.Эндокринный. Сигнальные молекулы, синтезируемые в железах внутренней секреции, поступают с током крови к клеткам-мишеням. Так действует большинство гормонов. 2.Паракринный - сигнальные молекулы вырабатывают в пределах одного органа или участка ткани. Таким образом действуют большинство факторов роста. 3.Аутокринное - сигнальные молекулы действуют на клетку, их образовавшую. КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛЬНЫХ МОЛЕКУЛ. 1)По химической природе: 1.Органические (производные аминокислот, липидов, простые и сложные белки). 2. Неорганические (оксид азота II - NO). 2)По физико-химическим свойствам: 1.Липофобные - не могут проникать через мембрану клетки. Они растворимы в воде. 2.Липофильные - растворяются в жирах. Свободно проникают через мембрану клетки и действуют через внутриклеточные рецепторы клетки. Например, производные холестерола: минерало -, глюкокортикоиды, эстрогены, андрогены. 3)По биологическому принципу: 1.Гормоны - сигнальные молекулы с выраженным эндокринным эффектом. 2.Цитокины и факторы роста. Это сигнальные молекулы, которые выделяются неспециализированными клетками организма. Они регулируют рост, дифференцировку, пролиферацию соседних клеток. Действие пара- и/или аутокринно. 3.Нейромедиаторы - сигнальные молекулы, вырабатывающиеся нервными клетками, влияющие на обмен веществ и функции иннервируемых тканей. Их действие связано с влиянием на ионные каналы. Они изменяют их проницаемость и вызывают деполяризацию мембраны. МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ СИГНАЛЬНЫХ МОЛЕКУЛ. Механизм действия органических ЛИПОФИЛЬНЫХ сигнальных молекул характеризуется: 1.взаимодействием сигнальной молекулы с внутриклеточным рецептором; 2.регуляторный эффект связан с изменением количества белка в результате влияния на экспрессию генов, 3. биологическое действие продолжительное, но развивается медленно в пределах нескольких часов. Факторы, необходимые для их действия: - сигнальная молекула, - воспринимающий внутриклеточный рецептор, связанный с шапероном. - участок ДНК, регулирующий транскрипцию определённых генов (энхансер, сайленсер), - белоксинтетический аппарат клетки. Этапы действия липофильных сигнальных молекул: 1. проникновение сигнальной молекулы внутрь клетки, 2. связывание с внутриклеточным рецептором, 3. освобождение шаперона, 4. взаимодействие комплекса сигнальных молекул с регуляторными элементами ДНК, изменение биосинтеза некоторых белков, в том числе и их ферментов. 5. изменение метаболизма и клеточных функций; Прекращение эффекта за счет инактивации комплекса сигнальная молекула рецептор, протеолиза белков – продуктов регулируемого гена, изменения конформации белков и рецепторов, разрушения мРНК. Механизм действия ЛИПОФОБНЫХ сигнальных молекул: 1. взаимодействие с поверхностным рецептором, 2. сигнал передаётся от рецептора внутрь клетки (трансдукция) и устанавливается с помощью внутриклеточных регуляторов: высоко- и низкомолекулярных. Высокомолекулярные регуляторы - это регуляторные белки. Они опосредуют действие сигнальной молекулы внутри клетки. Низкомолекулярные регуляторы небелковой природы. Его называют второй МЕССЕНДЖЕР (первый МЕССЕНДЖЕР - сама сигнальная молекула. Это ионы кальция, диацилглицерол, инозитол-3-фосфат, цАМФ и цГМФ. 3. биологическое действие обусловлено сочетанием регуляции активности ранее синтезированных белков и регуляция экспрессии генов. Регуляторный эффект двухфазный: - первая фаза быстрая, но не продолжительная, она обеспечивает изменение структуры и активности ферментов; - вторая фаза медленная за счёт изменения количества ферментов. МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ, ЗАВИСИМЫЙ ОТ цАМФ. Факторы, необходимые для этого: 1. растворимая в воде сигнальная молекула; 2. поверхностные рецепторы клетки-мишени; 3. внутриклеточный трансдуктор G-белок. Состоит из 3 единиц: альфа, бета, гамма. При взаимодействии сигнальной молекулы с рецептором он активируется, его активность обусловлена альфа единицей. Она оказывает влияние на внутриклеточный фермент - АДЕНИЛАТЦИКЛАЗУ (активирует или ингибирует фермент). G-белок способен присоединять ГДФ или ГТФ. Альфа-единица активна, когда связана с ГТФ. 4. АДЕНИЛАТЦИКЛАЗА(АЦ); 5. ПРОТЕИНКИНАЗА-А цАМФ-зависимая. Она катализирует реакцию фосфорилирования белков. В результате белки изменяют активность; 6. Регуляторные элементы ДНК (ЭНХАНСЕР и САЙЛЕНСЕР); 7. ФОСФОДИЭСТЕРАЗА - разрушает ЦАМФ; 8. ФОСФАТАЗА - дефосфорилирует белки; 9. Белково-синтетический аппарат клетки. Этапы стимулирующего цАМФ - зависимого механизма: 1. взаимодействие сигнальной молекулы с рецептором; 2. изменение конформации G-белка; 3. замена ГДФ на ГТФ в альфа-S единице G-белка; 4. альфа-субъединица (стимулирующая) активирует аденилатциклазу; 5. аденилатциклаза синтезирует цАМФ; 6. цАМФ активирует ПРОТЕИНКИНАЗУ А (ПКА); 7. ПРОТЕИНКИНАЗА А фосфорилирует белки и белковые факторы транскрипции, изменяющие активность и количество ферментов; 8. Прекращение действия, если рецептор освободился - ФОСФОДИЭСТЕРАЗА - разрушает цАМФ. - ФОСФАТАЗА - ДЕФОСФОРИЛИРУЕТ белки. Этапы ингибирующего цАМФ - зависимого механизма: 1. взаимодействие сигнальной молекулы с рецептором; 2. изменение конформации G-белка; 3. замена ГДФ на ГТФ в альфа-S единице G-белка; 4. альфа-субъединица (ингибирующая) угнетает аденилатциклазу; 5. прекращение эффектов цАМФ в клетке МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ, ЗАВИСИМЫЙ ОТ цГМФ. Необходимые компоненты: 1. Поверхностный рецептор; 2. Гуанилатциклаза (превращает ГТФ в цГМФ; 3. Протеинкиназа G; 4. Фосфодиэстераза; 5. Фосфатаза. Рецептор встроен в мембрану клетки и связан с ферментом гуанилатциклазой. При присоединении сигнальной молекулы к рецептору гаунилатциклаза активируется и ускоряет образование цГМФ. Последний активирует протеинкиназу G, он запускает реакцию фосфорилирования белков (ферментов и факторов транскрипции). ТИРОЗИНКИНАЗНЫЙ МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ. По данному механизму действуют ферменты, обладающие внутренней тирозинкиназной активностью - способность присоединять фосфат по остаткам тирозина. После взаимодействия мономерного компонента тирозинкиназного рецептора с сигнальной молекулой он димеризуется. внутрення часть рецептора самофосфорилируется. Это вызывает активацию внутренних сигнальных путей. Сигнал передается в ядро, что вызывает изменение роста и дифференцировки. В некоторых клетках после связывания с сигнальной молекулой рецептор интернализуется (погружается внутрь) и проникает в ядро и вызывает описанный ранее эффект. МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ОКСИДА АЗОТА (II) ОКСИД АЗОТА (II) проникает через мембрану клетки, взаимодействует с растворимой гуанилатциклазой. Фермент активируется, в результате чего образуется цГМФ, который увеличивает активность протеинкиназы G, что вызывает соответствующий клеточный ответ. ОКСИД АЗОТА (II) – молекула, которая регулирует тонус сосудов и апоптоз. 6.1. Сигнальные молекулы ˜ 6.2. Гормоны гипоталамуса ГОРМОНЫ ГИПОТАЛАМУСА ГИПОТАЛАМУС является компонентом и своеобразным «выходным каналом» лимбической системы. Это отдел промежуточного мозга, контролирующий различные параметры гомеостаза. С одной стороны он связан с центральной нервной системой, с другой - с гипофизом через аксоны нейронов и систему портальных сосудов. В гипоталамусе синтезируются гипоталамические нейрогормоны, которые подразделяют на 2 группы: либерины и статины. Табл. Гормоны гипоталамуса и их функции ЛИБЕРИНЫ: Кортикотропин-рилизинг-гормон (кортиколиберин, кортикотропинрилизинг-фактор) КРГ, КРФ Стимулирует секрецию адренокортикотропного гормона (АКТГ) Тиреотропин-рилизинг-гормон (тиреолиберин, тиреотропинрилизинг-фактор) ТРГ, ТРФ Стимулирует секрецию тиреотропного (ТТГ) гормона и пролактина Лютеинизирующего гормона рилизингфактор (люлиберин) ЛРФ Стимулирует секрецию лютеинизирующего гормона Стимулирует секрецию фолликулостимулирующег Функция о гормона ФСГ-РФ Сокращение Гормоны гипоталамуса ЛИБЕРИНЫ: Кортикотропин-рилизинг-гормон (кортиколиберин, кортикотропинрилизинг-фактор) КРГ, КРФ СРФ Тиреотропин-рилизинг-гормон (тиреолиберин, тиреотропинрилизинг-фактор) ПРФ ТРГ, ТРФ Лютеинизирующего гормона рилизингфактор (люлиберин) Фолликулостимулирующего гормона рилизинг-фактор (фоллиберин) МРФ ЛРФ ФСГ-РФ Соматотропин-рилизинг-гормон (соматолиберин, соматотропинрилизинг-фактор) СРФ Пролактин-рилизинг-фактор (пролактолиберин) ПРФ Меланоцитостимулирующего гормона рилизинг-фактор МРФ СТАТИНЫ: Соматотропин-ингибирующий гормон (соматотропинингибирующий фактор, соматостатин) СИФ Пролактин-ингибирующий (пролактостатин) ПИФ фактор Стимулирует Стимулирует секрецию секрецию соматотропного гормона адренокортикотропного гормона (АКТГ) Стимулирует секрецию Стимулирует секрецию пролактина тиреотропного (ТТГ) гормона и пролактина Стимулирует секрецию меланоцитостимулирующе Стимулирует секрецию го гормона лютеинизирующего гормона Стимулирует секрецию фолликулостимулирующег о гормона Стимулирует секрецию соматотропного гормона Стимулирует секрецию пролактина Стимулирует секрецию меланоцитостимулирующе го гормона Ингибирует секрецию соматотропного гормона Ингибирует пролактина секрецию Ингибирует секрецию Меланоцитостимулирующего гормона ингибирующий фактор (меланостатин) Фолликулостимулирующего гормона рилизинг-фактор (фоллиберин) Соматотропин-рилизинг-гормон Ингибирует секрецию соматотропного гормона СТАТИНЫ: Соматотропин-ингибирующий гормон (соматотропинингибирующий фактор, соматостатин) СИФ Пролактин-ингибирующий (пролактостатин) ПИФ фактор Ингибирует пролактина секрецию Меланоцитостимулирующего гормона ингибирующий фактор (меланостатин) Гормоны гипоталамуса по химическому строению предствляют собой Ингибирует секрецию пептиды. Действуют через циклический аденозинмонофосфат МИФ Гормоны гипоталамуса по химическому строению предствляют собой пептиды. Действуют через циклический аденозинмонофосфат. 6.3. ГОРМОНЫ ГИПОФИЗА ГОРМОНЫ ГИПОФИЗА В гипофизе выделяют (нейрогипофиз). переднюю (аденогипофиз) и заднюю доли меланоцитостимулирующег Гормоны аденогипофиза можно разделить на 3 группы в зависимости от их химической природы: 1. простые белки; 2. гликопротеины; 3. пептиды семейства проопиомеланокортина (ПОМК). Простые белки Гормон роста (соматотропный гормон, ГР, СТГ) является полипептидом, состоящим из 191 аминокислоты. Секреция гормона роста носит пульсирующий характер с интервалами в 30 минут. Один из самых больших пиков отмечается вскоре после засыпания. Секреция гормона роста увеличивается при стрессе, физических упражнениях, гипогликемии, голодании, приеме белковой пищи. о гормона Клетки-мишени гормона роста: Клетки печени, скелетных мышц, хрящевой и жировой тканей. Рис. Механизм действия гормона роста Метаболические эффекты гормона роста: Влияние на белковый обмен: – увеличение транспорта аминокислот в клетке; – стимуляция синтеза белка; – стимуляция синтеза ДНК, РНК. Влияние на углеводный обмен: – уменьшение периферической утилизации глюкозы; – стимуляция глюконеогенеза; – повышение концентрации глюкозы в крови. Влияние на липидный обмен: – стимуляция липолиза; – стимуляция окисления высших жирных кислот в печени. Влияние на минеральный обмен: – задерживает в организме кальций, фосфор, магний. Влияние гормона роста на рост скелета и мягких тканей осуществляется через инсулиноподобные факторы роста (ИФР), которые синтезируются в ответ на взаимодействие гормона роста с рецепторами плазматической мембраны различных клеток, в основном печени. Рис. Действие гормона роста через ИФР Гипосекреция гормона роста в детском возрасте проявляется гипофизарным нанизмом (карликовость) Гиперсекреция у детей проявляется гигантизмом, у взрослых – акромегалией. Пролактин Синтезируется лактотрофными клетками аденогипофиза, состоит из 199 аминокислотных остатков. Основная физиологическая функция пролактина стимуляция лактации (индуцирует синтез лактальбумина, казеина, фосфолипидов, триацилглицеролов). ГЛИКОПРОТЕИНЫ К ним относятся тиреотропный гормон (ТТГ), фолликулостимулирующий гормон (ФСГ), лютеинизирующий гормон (ЛГ) Действуют через ЦАМФ. Тиреотропный гормон (ТТГ) Клетки-мишени - тиреоциты. Функции: - повышает синтез трийодтиронина и тироксина; - повышает гидролиз белка – тиреоглобулина; - повышает включение йода в структуру тиреоидных гормонов; - стимулирует синтез белка и нуклеиновых кислот в щитовидной железе. Фолликулостимулирующий гормон (ФСГ): В женском организме клетки-мишени - фолликулярные клетки, В мужском организме клетки-мишени - клетки Сертолли. В женском организме стимулирует рост фолликулов, подготавливают их к действию лютеинизирующего гормона (ЛГ). В мужском организме индуцирует синтез андрогенсвязывающего белка. Стимулирует рост семенных канальцев семенников и сперматогенез. Лютеинизирующий гормон (ЛГ) В женском организме клетки-мишени - клетки желтых тел, В мужском организме клетки-мишени - клетки Лейдига. Стимулирует образование в женском организме прогестерона, а в мужском тестостерона. Предшественником их является холестерол. ЛГ индуцирует овуляцию у женщин. ПЕПТИДЫ СЕМЕЙСТВА ПРООПИОМЕЛАНОКОРТИНА Проопиомеланокортин – это белок, состоящий из 285 аминокислотных остатков. После отщепления сигнального пептида происходит частичный протеолиз оставщейся полипептидной цепи с образованием адренокортикотропного гормона и ?-липотропина. при дальнейшем распаде происходит образование ?- и ?-меланоцитстимулирующих гормонов, кортикотропиноподобного гормона и эндорфинов. Рис. Пептидные гормоны, образующиеся из проопиомеланокортина. Адренокортикотропноый гормон – полипептид, состоящий из 39 аминокислотных остатков. Мишенью для него является кора надпочечниковю Он стимулирует синтез стероидных гормонов надпочечников за счет стимуляции превращения холестерола в прегненолон, индукции синтеза ферментов, участвующих в синтезе кортикостероидов. Вторым посредником является циклический АМФ. Гиперсекреция адренокортикотропного гормона характеризуется: Повышением уровня натрия в крови (в связи с этим возможно увеличение артериального давления, возникновение отеков); Гипергликемией («стероидный диабет»); Увеличением содержания высщих жирных кислот в крови; Отрицательным азотистым балансом. ?-липотропин стимулирует липолиз. ?- эндорфины находятся в гипофизе в ацетилированном состоянии и неактивны, но активны в нервной ткани, где освобождаются от остатка уксусной кислоты и проявляют нейромедиаторную активность. Рецепторы для эндорфинов те же, что и для морфиновых опиат. ?- эндорфины снижают болевую чувствительность. Меланоцитстимулирующие гормоны стимулируют меланогенез (образование пигмента - меланина). ГОРМОНЫ ЗАДНЕЙ ДОЛИ ГИПОФИЗА Вазопрессин (антидиуретический гормон, АДГ) и окситоцин. Они образуются в гипоталамусе, транспотируются в заднюю долю гипофиза и секретируются оттуда. Эти гормоны – нонапептиды со сходной первичной структурой. Рис. Структура вазопрессина и окситоцина. Клетками-мишенями для АДГ являются клетки гладкой мускулатуры сосудов и клетки почечных канальцев. В результате взаимодействия с рецепторами происходит увеличение реабсорции воды в почечных канальцах, что ведет к снижению диуреза. Действует вазопрессин через циклический АМФ. Гипосекреция вазопрессина проявляется несахарным диабетом, когда возникает нарушение обратного всасывания воды и, вследствие этого, выделяется большое количество мочи низкой плотности. Окситоцин стимулирует сокращение гладкой мускулатуры матки (стимуляция родовой деятельности) и миоэпителиальных клеток молочных желез (вызывает перераспределение молока). 6.3. ГОРМОНЫ ГИПОФИЗА ГОРМОНЫ ГИПОФИЗА В гипофизе выделяют (нейрогипофиз). переднюю (аденогипофиз) и заднюю доли Гормоны аденогипофиза можно разделить на 3 группы в зависимости от их химической природы: 1. простые белки; 2. гликопротеины; 3. пептиды семейства проопиомеланокортина (ПОМК). Простые белки Гормон роста (соматотропный гормон, ГР, СТГ) является полипептидом, состоящим из 191 аминокислоты. Секреция гормона роста носит пульсирующий характер с интервалами в 30 минут. Один из самых больших пиков отмечается вскоре после засыпания. Секреция гормона роста увеличивается при стрессе, физических упражнениях, гипогликемии, голодании, приеме белковой пищи. Клетки-мишени гормона роста: Клетки печени, скелетных мышц, хрящевой и жировой тканей. Рис. Механизм действия гормона роста Метаболические эффекты гормона роста: Влияние на белковый обмен: – увеличение транспорта аминокислот в клетке; – стимуляция синтеза белка; – стимуляция синтеза ДНК, РНК. Влияние на углеводный обмен: – уменьшение периферической утилизации глюкозы; – стимуляция глюконеогенеза; – повышение концентрации глюкозы в крови. Влияние на липидный обмен: – стимуляция липолиза; – стимуляция окисления высших жирных кислот в печени. Влияние на минеральный обмен: – задерживает в организме кальций, фосфор, магний. Влияние гормона роста на рост скелета и мягких тканей осуществляется через инсулиноподобные факторы роста (ИФР), которые синтезируются в ответ на взаимодействие гормона роста с рецепторами плазматической мембраны различных клеток, в основном печени. Рис. Действие гормона роста через ИФР Гипосекреция гормона роста в детском возрасте проявляется гипофизарным нанизмом (карликовость) Гиперсекреция у детей проявляется гигантизмом, у взрослых – акромегалией. Пролактин Синтезируется лактотрофными клетками аденогипофиза, состоит из 199 аминокислотных остатков. Основная физиологическая функция пролактина стимуляция лактации (индуцирует синтез лактальбумина, казеина, фосфолипидов, триацилглицеролов). ГЛИКОПРОТЕИНЫ К ним относятся тиреотропный гормон (ТТГ), фолликулостимулирующий гормон (ФСГ), лютеинизирующий гормон (ЛГ) Действуют через ЦАМФ. Тиреотропный гормон (ТТГ) Клетки-мишени - тиреоциты. Функции: - повышает синтез трийодтиронина и тироксина; - повышает гидролиз белка – тиреоглобулина; - повышает включение йода в структуру тиреоидных гормонов; - стимулирует синтез белка и нуклеиновых кислот в щитовидной железе. Фолликулостимулирующий гормон (ФСГ): В женском организме клетки-мишени - фолликулярные клетки, В мужском организме клетки-мишени - клетки Сертолли. В женском организме стимулирует рост фолликулов, подготавливают их к действию лютеинизирующего гормона (ЛГ). В мужском организме индуцирует синтез андрогенсвязывающего белка. Стимулирует рост семенных канальцев семенников и сперматогенез. Лютеинизирующий гормон (ЛГ) В женском организме клетки-мишени - клетки желтых тел, В мужском организме клетки-мишени - клетки Лейдига. Стимулирует образование в женском организме прогестерона, а в мужском тестостерона. Предшественником их является холестерол. ЛГ индуцирует овуляцию у женщин. ПЕПТИДЫ СЕМЕЙСТВА ПРООПИОМЕЛАНОКОРТИНА Проопиомеланокортин – это белок, состоящий из 285 аминокислотных остатков. После отщепления сигнального пептида происходит частичный протеолиз оставщейся полипептидной цепи с образованием адренокортикотропного гормона и ?-липотропина. при дальнейшем распаде происходит образование ?- и ?-меланоцитстимулирующих гормонов, кортикотропиноподобного гормона и эндорфинов. Рис. Пептидные гормоны, образующиеся из проопиомеланокортина. Адренокортикотропноый гормон – полипептид, состоящий из 39 аминокислотных остатков. Мишенью для него является кора надпочечниковю Он стимулирует синтез стероидных гормонов надпочечников за счет стимуляции превращения холестерола в прегненолон, индукции синтеза ферментов, участвующих в синтезе кортикостероидов. Вторым посредником является циклический АМФ. Гиперсекреция адренокортикотропного гормона характеризуется: Повышением уровня натрия в крови (в связи с этим возможно увеличение артериального давления, возникновение отеков); Гипергликемией («стероидный диабет»); Увеличением содержания высщих жирных кислот в крови; Отрицательным азотистым балансом. ?-липотропин стимулирует липолиз. ?- эндорфины находятся в гипофизе в ацетилированном состоянии и неактивны, но активны в нервной ткани, где освобождаются от остатка уксусной кислоты и проявляют нейромедиаторную активность. Рецепторы для эндорфинов те же, что и для морфиновых опиат. ?- эндорфины снижают болевую чувствительность. Меланоцитстимулирующие гормоны стимулируют меланогенез (образование пигмента - меланина). ГОРМОНЫ ЗАДНЕЙ ДОЛИ ГИПОФИЗА Вазопрессин (антидиуретический гормон, АДГ) и окситоцин. Они образуются в гипоталамусе, транспотируются в заднюю долю гипофиза и секретируются оттуда. Эти гормоны – нонапептиды со сходной первичной структурой. Рис. Структура вазопрессина и окситоцина. Клетками-мишенями для АДГ являются клетки гладкой мускулатуры сосудов и клетки почечных канальцев. В результате взаимодействия с рецепторами происходит увеличение реабсорции воды в почечных канальцах, что ведет к снижению диуреза. Действует вазопрессин через циклический АМФ. Гипосекреция вазопрессина проявляется несахарным диабетом, когда возникает нарушение обратного всасывания воды и, вследствие этого, выделяется большое количество мочи низкой плотности. Окситоцин стимулирует сокращение гладкой мускулатуры матки (стимуляция родовой деятельности) и миоэпителиальных клеток молочных желез (вызывает перераспределение молока). 6.4. ГОРМОНЫ ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ ГОРМОНЫ ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ В щитовидно железе синтезируются гормоны, которые являются йодированными производными тирозина (йодтиронины). К ним относятся трийодтиронин (3, 5, 3? - трийодтиронин, Т3) и тироксин (3, 5, 3?, 5?, тетрайодтиронин, Т4). Рис. Йодтиронины Биосинтез йодтиронинов Синтез йодтиронинов происходит в составе белка – тиреоглобулина, который находится в фолликулах щитовидной железы. Тиреоглобулин представляет собой гликопротеин, содержащий 115 остатков тирозина. После синтеза в клетках щитовидной железы тиреоглобулин поступает во внеклеточный коллоид, где происходит йодирование тирозина и образование йодтиронинов. Йодирование тирозина и образование йодтиронинов осуществляется в несколько этапов: 1. транспорт йода в клетки щитовидной железы; 2. окисление йода; 3. йодирование тирозина; 4. образование йодтиронинов. Йод поступает в организм с пищей и водой. Суточная потребность в йоде составляет 150- 200 мкг. До 30% от этого количества йода захватывается щитовидной железой. Транспорт йода в клетки щитовидной железы происходит с затратой энергии при участии транспортного йодид-переносящего белка. Йод окисляется под влиянием фермента – тиреопероксидазыи в присутствие окислителя пероксида водорода J- > J+ + e Окисленный йод взаимодействует с остатками тирозина в молекуле тиреоглобулина также под влиянием тиреопероксидазы. Происходит образование монойодтирозинов (МИТ) и дийодтирозинов (ДИТ). В дальнейшем осуществляется их конденсация друг с другом. Две молекулы ДИТ образуют тироксин. МИТ и ДИТ, соединяясь, образуют трийодтиронин. Йодтиреоглобулин поступает в фолликулярную клетку путем фагоцитоза, где подвергается гидролизу с высвобождением Т3, Т4. Эти гормоны поступаю Т4 в клетках щитовидной железы образуется в сутки в 20 раз больше, чем Т3, но эта форма также может синтезироваться из Т4 в периферических тканях. Эти гормоны поступают в кровь и связываются с тироксинсвязывающим глобулином, который является основным транспортным белком для йодтиронинов. Меньшее значение для транспорта имеет тироксинсвязывающий преальбумин. Связывание необходимо из-за плохой растворимости йодтиронинов в воде. Регуляция синтеза и секреции йодтиронинов происходит по принципу обратной связи. Снижение уровня тиреоидных гормонв в крови приводит к повышению секреции тиреолиберина и ТТГ. Рецепторы к тиреоидным гормонам на поверхности клеток. Эти гормоны действуют по механизму действия липофильных сигнальных молекул. Влияние на метаболические процессы Обмен белков В физиологической концентрации йодтиронины усиливают биосинтез белков, но в высокой концентрации проявляется их катаболический эффект в отношении синтеза белков. Обмен углеводов В печени под влиянием данных гормонов происходит увеличение скорости распада глюкозы, мобилизации гликогена. Обмен липидов В печени жировой ткани гормоны стимулируют липолиз. Указанные эффекты на обмен углеводов и липидов связывают с повышением чувствительности клеток к действию адреналина под влиянием тиреоидных гормонов. Под влиянием гормонов щитовидной железы происходит увеличение активности Na+, K+ - АТФ-азы, что ведет к уменьшению АТФ в клетке и , следовательно, к повышению поглощения клетками кислорода. В нормальной концентрации йодтиронины стимулируют процессы роста и клеточной дифференцировки. Также трийодтиронин ускоряет транскрипцию гена гормона роста. Нарушения секреции тиреоидных гормонов Гипосекреция В детском возрасте снижение секреции приводит к задержке физического и умственного развития (кретинизм). У взрослых тяжелым проявлением недостатка гормонов щитовидной железы является микседема. В этом случае происходит замедление распада гликозаминогликанов, которые накапливаясь в коже, подкожной клетчатке, голосовых связках, задерживают воду и способствуют развитию слизистого отека кожи, изменению тембра голоса. Гипотиреоз может возникать также вследствие недостаточного поступления йода в организм у людей, проживающих в районах, где содержание йода в почве, воде низкое. При этом происходит увеличение размеров щитовидной железы (эндемический зоб). Гиперсекреция Диффузный токсический зоб (базедова болезнь) наиболее распространенное заболевание, сопровождающееся повышенной продукцией йодтиронинов. При этом заболевании размеры щитовидной железы увеличены и развивается тиреотоксикоз. Тиреотоксикоз проявляется повышенной возбудимостью, снижением массы тела, повышением температуры тела (разобщение окисления и фосфорилирования), потливостью, экзофтальм. 6.5. ГОРМОНЫ ПАРАЩИТОВИДНЫХ ЖЕЛЕЗ ГОРМОНЫ ПАРАЩИТОВИДНЫХ ЖЕЛЕЗ Паратгормон синтезируется в паращитовидных железах и состоит из 84 аминокислотных остатков. Гормон хранится в секреторных гранулах. Секреция ПТГ регулируется уровнем кальция в крови: при снижении концентрации кальция происходит выделение гормона. Рецепторы для ПТГ расположены на поверхности клеток почек и костной ткани (остеобласты, остеоциты). Механизм действия - цАМФ-зависимый. Эффекты гормона напралены на повышение концентрации ионов кальция и снижение концентрации фосфатов в крови. В почках ПТГ стимулирует реабсорбцию кальция в дистальных извитых канальцах, что ведет к уменьшению потерь кальция. Реабсорбция фосфатов наоборот уменьшается. ПТГ стимулирует образование кальцитриола из витамина Д3. Кальцитриол усиливает всасывание кальция в кишечнике. При связывании ПТГ с рецепторами клеток костной ткани их активность увеличивается: ускоряется образование щелочной фосфатазы, коллагеназы, которые вызывают распад костного матрикса. При этом происходит выход кальция и фосфатов из кости. Таким образом, паратгормон восстанавливает нормальный уровень кальция в крови как путем прямого воздействия (на почки и костную ткань), так и опосредованно (стимуляция биосинтеза кальцитриола). Концентрация фосфатов в крови под влиянием ПТГ снижается. Гиперсекреция ПТГ Избыточная секреция ПТГ приводит к повышенному выходу кальция и фосфатов в кровь, усилению реабсорбции кальция и выведения фосфатов, уровень кальция в крови увеличивается. Это проявляется мышечной слабостью, быстрой утомляемостью. Повышается риск возникновения переломов костей, образования камней в почках. Недостаточность паращитовидных желез проявляется гипокальциемией, повышением нервно-мышечной проводимости, судорожным синдромом. Кальцитонин – полипептид, состоящий из 32 аминокислот. Образуется в Склетках паращитовидных желез и К-клетках щитовидной железы. По своему действию является антагонистом паратгормона. Клеткамимишенями для данного гормона являются клетки почек, костной ткани. Калицитонин снижает канальцевую реабсорцию кальция в почках. Активность остеокластов под действием кальцитонина снижается, что ведет к уменьшению распада костного матрикса и снижению мобилизации кальция из кости. Скорость секреции кальцитонина зависит от уровня эстрогенов. При недостатке эстрогенов секреция кальцитонина снижается, что может вызвать повышенный выход кальция из кости привести к развитию остеопороза. 6.6. Гормоны половых желез Гормоны половых желез По химической природе представляют собой стероиды. Выделяют: 1. Андрогены; 2. Эстрогены; 3. Прогестины. Синтез половых гормонов Предшественником половых гормонов, как и других стероидных гормонов, служит холестерол, который либо поступает из плазмы крови в составе ЛПНП, либо синтезируется в самих железах из ацетил-КоА. Образование прегненолона происходит в результате отщепления боковой цепи холестерола. Превращение прегненолона в тестостерон может протекать двумя путями: через образование прегненолона или дегидроэпиандростерона. Тестостерон служит предшественником дигидротестостерона. Далее под действием ароматазного фермента происходят 3 реакции гидроксилирования андрогенов с образованием эстрогенов. Половые гормоны находятся в крови в связанном состоянии с белками плазмы: альбумином и секс-гормонсвязывающим глобулином (СГСГ). Биологической активностью обладает только свободная форма гормонов. Эффект половые гормоны реализуют по механизму действия липофильных сигнальных молекул. Мужские половые гормоны Андрогены образуются в интерстициальных клетках Лейдига. Наиболее активными являются тестостерон и дигидротестостерон. (формула тестостерона). Клетки – мишени для андрогенов: - клетки предстательной железы; - клетки семенных пузырьков; - мышечные клетки; - клетки костной ткани. Биологические эффекты андрогенов: 1.Анаболический эффект; стимуляция синтеза белков репродуктивной системы. 2.Активация клеточного давления; 3. Участие в половой дифференцировке; 4. Стимуляция сперматогенеза; 5. Формирование вторичных половых реакций; 6. Формирование поведенческих реакций; 7. Стимуляция развития скелетной мускулатуры, роста костной ткани. Женские половые гормоны Эстрогены: 1. Эстрон; 2. Эстрадиол; 3.Эстриол. Наиболее активен эстрадиол (формула) Прогестины Прогестерон (формула) Синтезируется главным образом желтым телом беременности. Мишенями являются: - клетки матки; - маточные трубы; - молочные железы; - костная ткань; - печень. Биологические эффекты женских половых гормонов: 1. Анаболическое действие; 2. Формирование и поддержание функций женской репродуктивной системы; 3. Участие в развитии и сохранении беременности. Предыдущий раздел Раздел верхнего уровня Следующий раздел 6.7. Гормоны надпочечников Гормоны надпочечников Надпочечники – железы внутренней секреции, в которых выделяют корковое и мозговое вещество. В корковом слое синтезируется гормоны стероидной природы, в мозговом веществе вырабатываются гормоны, которые являются производными аминокислот. Гормоны коры надпочечников (кортикостероиды) Кортикостероиды делят на 3 класса в зависимости от их преобладающего действия: 1.Глюкокортикоиды (в основном оказывают влияние на углеводный обмен); 2. Минералокортикоиды регулируют минеральный обмен (обмен ионов натрия и калия); 3. Андрогены. В коре надпочечников синтезируются предшественники андрогенов, которые превращаются в более активные андрогены вне надпочечников. Основным местом образования мужских половых гормонов являются половые железы. Глюкокортикоиды Основной глюкокортикоид человека – кортизол (формула). Синтез кортизола происходит в пучковой и сетчатой зонах коры надпочечников из холестирола. Холестирол поступает в клетки коры надпочечников из крови в составе липопротеинов низкой плотности или синтезируются в клетках из ацетил – К0А. В цитоплазме клеток холестирол находится в липидных каплях в виде своих эфиров. Образование кортизола стимулируется адренокортикотропным гормоном (АКТГ), который, используется в качестве вторичного посредника цАМФ, активирует холестиролэстеразу. Данный фермент катализирует реакцию образование свободного холестирола. Холестирол под действием гидроксилазы превращается в прегненолон. Из прегненолона под действием дегидроксилирования превращается в кортизол. Мишенями для глюкокортикоидов являются клетки печени, почек, лимфоидной, соединительной, мышечной, жировой тканей. Механизм действия глюкокортикоидов По физико - химическим свойствам глюкокортикоиды относятся к липофильным сигнальным молекулам. Они проникают через клеточные мембраны и взаимодействуют с рецепторами, локализованными внутри клетки. Сформированный комплекс «сигнальная молекула - рецептор» связывается с регуляторным элементом ДНК. Это вызывает изменения скорости синтеза определенных матричных РНК и определенных белков (в т.ч. ключевых ферментов метаболизма). Эффекты глюкокортикоидов 1. Влияние на углеводный обмен: - стимуляция глюконеогенеза (в результате индукции синтеза ключевых ферментов глюконеогенеза: пируваткарбоксилазы, фосфоенолпируваткарбоксикиназы, глюкозо – 6 – фосфатазы; кроме того, активируется синтез ферментов катаболизма аминокислот: аланиновой аминотрансферазы, тирозиновой аминотрансферазы). 2. Влияние на липидный обмен: - стимуляция липолиза в конечностях; - активация липогенеза на туловище и лице. 3. Влияние на обмен белков: - стимулируют синтез белков в печени; - в лимфоидной, мышечной, жировой, соединительной тканях тормозят синтез и активируют распад белков. 4. Влияние на минеральный обмен: (эффект выражен слабо) - повышают реабсорбцию натрия в почечных канальцах; - увеличивают секрецию ионов калия в первичную мочу. 5. Подавление иммунных и аллергических реакций 6. Противовоспалительное действие (снижают количество лейкоцитов, угнетают синтез медиаторов воспаления). Минералокортикоиды Наиболее активный минералокортикоид – альдостерон (формула). Альдостерон синтезируется в клетках клубочковой зоны коры надпочечников из холестерола. От холестирола под действием гидроксилазы отщепляется боковая цепь, в результате образуется прегненолон. Из прегненолона образуется прогестерон. Далее в результате работы гидроксилаз и дегидрогеназы образуется альдостерон. Основным стимулятором синтеза альдостерона является ангиотензин II, так же синтез стимулируется низкой концентрацией ионов натрия и высокой концентрацией ионов калия в крови. Клетками – мишенями для альдостерона являются: - клетки дистальных извитых почечных канальцев; - клетки собирательных трубочек. Механизм действия альдостерона Альдостерон – липофильная сигнальная молекула связывается в клетках – мишенях с внутриклеточным рецептором. В дальнейшем комплекс гормон – рецептор взаимодействует с регуляторным элементом ДНК, что изменяет скорость транскрипции определенных генов. В результате увеличивается скорость образования белков, ответственных за транспорт ионов натрия и калия. Эффекты альдостерона 1. Повышение реабсорбции ионов натрия в клетки почечных канальцев; 2. Увеличение секреции ионов калия в первичную мочу. Нарушение секреции гормонов коры надпочечников. 1. Гипосекреция: Аддисонова болезнь («бронзовая болезнь») Признаки: -снижается устойчивость к стрессовым ситуациям; -отмечается гипогликемия; -нарушение водно – солевого обмена (потеря Na+, накопление К+ ); -мышечная слабость; -пигментация; 2. Гиперсекреция: Болезнь Иценко-Кушинга Признаки: - гипергликемия; -повышение АД; -повышение ионов Na+ в крови; - понижение ионов К+ в крови. 6.8. Гормоны поджелудочной железы Гормоны поджелудочной железы Функции поджелудочной железы: экзокринная; эндокринная. Экзокринная функция заключается в синтезе и секреции пищеварительных ферментов. Эндокринную функцию выполняют клетки островковой части поджелудочной железы, которые подразделяются на 4 типа: - В-клетки. В них синтезируется гормон инсулин. - А-клетки ответственны за синтез глюкагона. - В D-клетках образуется соматостатин. - F-клетки секретируют панкреатический полипептид. Инсулин – полипептид, содержащий 51 аминокислотный остаток. Состоит из двух полипептидных цепей, которые соединены между собой двумя дисульфидными мостиками. Цепь А содержит 21 аминокислотный остаток, цепь В – 30 аминокислотных остатка. Биосинтез инсулина Исходным предшественником инсулина является препроинсулин, который в результате гидролиза превращается в проинсулин. Проинсулин представлен одной полипептидной цепью, состоящей из 86 аминокислотных остатков. Препроинсулин и проинсулин не обладают биологической активностью. Превращение неактивного проинсулина в активный инсулин происходит путем частичного протеолиза. В результате действия специфических протеаз образуется инсулин и С-пептид. Клетками – мишенями для инсулина являются клетки печени, жировой и мышечной тканей. Регуляция синтеза и секреции инсулина Основным регулятором синтеза инсулина является глюкоза. Она стимулирует экспрессию гена инсулина, непосредственно взаимодействуя с определенными факторами транскрипции. Также глюкоза активирует секрецию инсулина, вызывая быстрое освобождение инсулина из секреторных гранул. Процесс секреции инсулина кальций – зависимый и при дефиците ионов кальция секреция инсулина снижается даже в условиях высокой концентрации глюкозы. Механизм действия инсулина Инсулин связывается с рецепторами на поверхности клетки. Инсулиновый рецептор обладает тирозинкиназной активностью. При взаимодействии инсулина с рецептором происходит аутофосфорилирование рецептора по остаткам аминокислоты тирозина. Далее сигнал передается на специальные белки – субстраты инсулинового рецептора. К ним относятся IRS – 1 (играет главную роль в ответной реакции клетки на инсулиновый сигнал), IRS – 2, белки семейства STAT. Субстраты инсулинового рецептора соединяются с другими цитозольными белками. Это приводит к активации нескольких сигнальных путей (Ras – путь, фосфоинозитолкиназный путь). В результате чего изменяется активность и индуцируется синтез ключевых ферментов обмена веществ. Метаболические эффекты инсулина 1. Влияние на обмена углеводов: - Инсулин увеличивает транспорт глюкозы в клетках (прежде всего в клетки мышечной и жировой тканей). Транспорт глюкозы в клетки происходит при участии специальных белков – переносчиков глюкозы (ГЛЮТ). В отсутствие инсулина белки – переносчики глюкозы находятся в цитозольных везикулах. Под влиянием инсулина происходит перемещение везикул в мембрану клетки; - Индукция синтеза глюкокиназы в клетках печени. Фермент катализирует реакцию образования глюкозо – 6 – фосфата из глюкозы; - Усиление гликолиза за счет увеличения количества и активности ферментов катаболизма глюкозы; - Усиление синтеза гликогена в результате активации гликогенсинтетазы; - Снижение активности глюкозо – 6 – фосфатазы. В результате уменьшается образование свободной глюкозы; - Угнетение глюконеогенеза; - Стимуляция превращения глюкозы в жиры. В результате уровень глюкозы в крови снижается. 2. Влияние на липидный обмен: - Стимулирует синтез жиров; - Тормозит липолиз. 3. Влияние на обмен белков: - Увеличение транспорта аминокислот в клетки; - Активация синтеза белка. 4. Стимулирует пролиферацию клеток, усиливая факторов роста активировать размножение клеток. способность
