ДОНЕЦЬК 2010 УДК 612.015(075.8)+577.1(075.8) Автори: З.М.Скоробогатова, Ю.Д.Турсунова, А.Г.Матвієнко, Є.В.Хомутов, О.М.Бакурова, Т.О.Журавель, О.П.Шатова Біохімія в рисунках і схемах. Навчально-наочний посібник для студентів фармацевтичного факультету. – Донецьк, 2010. – 225 с. Навчально-наочний посібник з біологічної хімії для студентів вищих фармацевтичних закладів освіти III - IV рівнів акредитації підготовлений співробітниками кафедр біохімії і фармацевтичної та токсикологічної хімії, які мають значний досвід викладання біоорганічної і біологічної хімії на фармацевтичному факультеті Донецького національного медичного університету ім. М. Горького. Посібник складається з окремих розділів, присвячених біохімії ферментів, вітамінів, енергетичному обміну, загальним шляхам катаболізму, обміну вуглеводів, ліпідів, білків, нуклеотидів, основам молекулярної біології, а також біохімії гормонів, крові та печінки. У відповідних розділах навчального посібника надана наочна інформація у вигляді кольорових рисунків та схем про структуру, функції, біохімічні перетворення органічних молекул у організмі людини. Пояснюються причини можливих порушень метаболічних процесів в організмі людини, а також показані механізми дії ряду лікарських засобів, створених на підставі знань про структури біоорганічних сполук та біохімію обміну речовин. Розділи посібника мають елементи профілізації з урахуванням фаху провізора. Рецензенти: Скляров О.Я., доктор медичних наук, професор, завідувач кафедри біохімії Львівського національного медичного університету ім. Данила Галицького. Попов А.Ф., академік НАН України, доктор хімічних наук, професор кафедри біохімії Донецького національного університету. Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів фармацевтичних факультетів вищих навчальних закладів (протокол №1/11 7415 від 06.08.2010 р.). 2 ЗМІСТ Стор. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. Передмова…………………………………………………………………….. 4 Ферменти……………………………………………………………………… .5 Вітаміни………………………………………………………………………..20 Вступ до обміну речовин……………………………………………………..33 Обмін вуглеводів……………………………………………………………...53 Обмін ліпідів…………………………………………………………………..75 Обмін простих білків………………………………………………………….98 Обмін нуклеотидів …………………………………………………….119 Молекулярні основи передачі генетичної інформації……………………..131 Введення в ендокринологію…………………………………………………154 Біохімія крові…………………………………………………………………196 Біохімія печінки………………………………………………………………216 Предметний покажчик……………………………………………………….223 Література…………………………………………………………………….225 3 ПЕРЕДМОВА Розвиток біохімії відбувається стрімкими темпами і стає все більш важливим фундаментом для вивчення патогенезу хвороб людини, розробки ефективних методів діагностики та лікування. Значні досягнення у біохімії та клінічній біохімії дають змогу створення нових фармакологічних засобів для профілактики та лікування захворювань. Майбутнім фармацевтам біохімія потрібна, щоб вміти використовувати знання про молекулярні основи функціонування клітин, тканин та органів, а також організму у цілому, що є необхідним при подальшому вивченні профільних дисциплін та в майбутній професіональній діяльності. На жаль, у навчальному плані кількість лекцій з біохімії для студентів фармацевтичного факультету не дає змогу у достатній мірі викласти величезний обсяг складної інформації, яку містить така фундаментальна дисципліна як біологічна хімія. Саме тому метою авторів було скласти посібник, у якому в наглядній формі, але при цьому стисло і лаконічно, представлена інформація, яку, на наш погляд, повинен містити лекційний курс для студентів-фармацевтів. На відміну від фундаментального підручника з біохімії, навчально-наочний посібник для студентів фармацевтичного факультету “Біохімія в рисунках і схемах“ містить дуже стислу інформацію по кожній темі, яка розподілена на невеликі фрагменти і супроводжується кольоровими рисунками і схемами метаболічних процесів. Поряд зі схемами метаболічні процеси представлені також і у традиційному формульному вигляді. Такий підхід, на наш погляд, допомагає студентам різнобічно сприйняти навчальний матеріал, полегшує його засвоєння та порозуміння. Наприкінці кожного розділу містяться тестові завдання для самоконтролю засвоєння матеріалу. Вибір вірної відповіді потребує ретельного аналізу отриманої інформації. До тестових завдань у навчальному посібнику є еталони відповідей. Усі розділи мають елементи профілізації з урахуванням фаху провізора. Окремо повинні зауважити, що для студентів-фармацевтів, які глибоко інтересуються біохімією, цей посібник є дуже лаконічним, тому усі неосяжні біохімічні питання, що не увійшли в посібник, мають бути отримані з відповідних підручників та монографій, список яких є у рекомендованій літературі. Колектив авторів дуже вдячний завідувачу кафедрою професору Борзенко Б.Г. за підтримку при підготовці посібника, а також рецензентам професору Склярову О.Я. и професору Попову А.Ф. за зауваження та корисні пропозиції під час підготовки посібника. 4 Колектив авторів ФЕРМЕНТИ “Медицина говорить мовою ензимології” (О.Браунштейн) Ферменти (ензими) – це біологічні каталізатори білкової природи, котрі прискорюють перебіг хімічних реакцій у клітинах. Ферменти, тобто білки з каталітичними функціями, відрізняються від хімічних каталізаторів за трьома унікальними властивостями: високою ефективністю дії; специфічністю дії; здатності до регуляції. Докази білкової природи ферментів: денатурують під дією хімічних і фізичних чинників; при гідролізі розщеплюються до амінокислот; мають амфотерні властивості; рухомість під дією електричного поля; не проходять (не діалізуються) крізь напівпроникні мембрани; осаджуються висолюванням; мають високу молекулярну масу; Первинна структура першого характеризуються високою специфічністю; синтезованого білка-фермента прямий доказ - синтез білків-ферментів. рибонуклеази (1969 рік) Класифікація ферментів В основу класифікації покладений тип каталізованої ферментом реакції. Клас 1. Оксидоредуктази 2. Трансферази 3. Гідролази 4. Ліази 5. Ізомерази 6. Лігази (синтетази) Тип каталізованої реакції Окисно-відновні реакції: Авідн. + Вокис Аокис + Ввідн. Перенос груп атомів від молекули-донора до акцептора: А-Х + В А + В-Х Гідроліз (розрив) зв’язків у присутності води: А-В + Н2О А-Н + В-ОН Розрив зв’язків між атомами С, О, N, S негідролітичним або неокисно-відновним шляхом: А(Х)-В(Y) AX + BY Взаємне перетворення ізомерів: А ізомер А Утворення нових зв’язків у реакції конденсації двох молекул з використанням енергії АТФ: АДФ АТФ 5 А+В А-В Речовина, на котру діє ензим (Е), називається субстратом (S). В результаті ферментативної реакції утворюється продукт (Р): S Структура ферментів Е Р ферменти складні ферменти прості ферменти апофермент кофактор •Ферменти, як і білки, поділяються на прості та складні. Прості ферменти - це поліпептидні ланцюги. При гідролізі вони розщеплюються до амінокислот (наприклад, ферменти пепсин, ліпаза, амілаза). Складний фермент називається голоферментом. Складні ферменти складаються з білкової частини (апофермента) та небілкової частини - кофактора. Якщо кофактор міцно зв’язаний з білковою частиною та не дисоціює при виділенні фермента, то він називається простетичною групою (наприклад, іони металів). Якщо кофактор легко дисоціює, то він називається коферментом (найчастіше це похідні вітамінів). У складних ферментах ані кофакторам, ані апоферментам не притаманні самостійні каталітичні дії. Функціональна организація ферментів Білкова природа ферментів визначає їхні функціональні особливості. Перш за все, ферменти - це макромолекули, котрі за своїми розмірами суттєво перевищують реагуючі речовини - субстрати. Тому ферменти працюють не всією своєю поверхнєю, а лише її частиною - активним центром ферменту. Активний центр - це частина молекули ферменту (унікальна комбінація амінокислотних залишків), яка безпосередньо приймає участь у каталізі. Ці амінокислотні залишки знаходяться у різних місцях поліпептидного ланцюгу, але при просторовому укладанні, тобто при формуванні третинної структури, вони зближуються, створюючи активний центр. Таким чином, активний центр формується на рівні третинної структури, тому денатурація призводить до втрати каталітичної активності ферментів. 6 До активного центру входять наступні функціональні групи: • СООН-групи дикарбонових амінокислот і кінцеві; • аміногрупи лізину та кінцеві; • фенольна група тирозину; • ОН-групи серину та треоніну; • SH-група цистеїну та дисульфідні зв’язки, утворені цистеїном; • індольна група триптофану; • гуанідинова група аргініну; • імідазольна група гістидину; • тіоэфірна група метіоніну; • гідрофобні групи аліфатичних амінокислот і ароматичне кільце фенілаланіну. Якщо білок складний, то до складу активного центра входить його небілкова частина. В активному центрі розрізняють: •контактну (якірну) ділянку - для спізнавання та зв’язування субстрата, тобто необхідну для утворення фермент-субстратного комплексу. •каталітичну ділянку – для безпосередньої хімічної взаємодії із субстратом. Перша модель активного центру, запропонована Е.Фішером, трактувала взаємодію ферменту із субстратом як “ключ - замок”, тобто жорстку матрицю. Але у молекулі білку-ферменту жорсткі ділянки чергуються із гнучкими, тому кращою є теорія індукованої відповідності, котра була пізніше запропонована Д.Кошландом. Ця теорія припускає гнучкість каталітичного центру. Субстрат індукує конформаційні зміни активного центру ферменту, прибудовуючи його до себе. Фермент, у свою чергу, також може спричинити перебудову субстрату до себе. S ES E Властивості ферментів 1. Залежність активності ферменту від температури (термолабільність) v У певному обмеженому інтервалі швидкість реакції зростає 40 при підвищенні температури, тому що збільшується кінетична енергія молекул. При оптимальній температурі (40◦С) швидкість ферментативної реакції є максимальною. При подальшому підвищенні температури t° відбувається денатурація ферменту, та реакція зупиняється. 7 2. Вплив рH середовища на швидкість ферментативної реакції Ця залежність визначається наступними чинниками: -денатурацією ферментів при дуже високих або дуже низьких значеннях рH середовища реакції; - зміною величин зарядів субстратів або ферментів. В активному центрі ферментів є групи, здатні до іонізації, тому зміна рH середовища реакції призводить до зміни ступіню іонізації функціональних груп, що може спричинити конформаційні зміни у ферментах і, таким чином, змінити його активність. 3. Специфічність дії ферментів А. Специфічність шляху перетворення. Функціональні групи активного центру здатні хімічно перетворювати субстрат у визначений, а не в будь-який, продукт. Наприклад, один і той же самий субстрат (амінокислота гістидин) може перетворюватися у різні продукти (кетокислоту або амін) в залежності від того, який діє фермент (гістидаза або декарбоксилаза): гістидин NН3 кетокислота дека рбок сила з СО2 а гістамін В.Субстратна специфічність - здатність ферментів зв’язуватися із визначеними субстратами завдяки унікальній структурі активних центрів, компліментарних саме до цих субстратів. Розрізняють наступні види субстратної специфічності: 1. Абсолютна специфічність - здатність ферменту каталізувати перетворення лише одного субстрату. Наприклад, аргіназа розщепляю тільки аргінін. 2. Відносна специфічність - здатність ферментів каталізувати однотипні перетворення групи субстратів, подібних за структурою. Наприклад, ліпаза каталізує ліполіз (гідроліз ліпідів), пепсин - протеоліз (гідроліз білків). 3.Стереоспецифічність - здатність ферменту діяти тільки на один якийсь із стереоізомерів. Наприклад, оксидаза D-амінокислот не може діяти на їхні стереоізомери L-амінокислоти. 8 Ізоферменти Множинні форми ферментів – це група ферментних білків, які відрізняються між собою фізико-хімічними властивостями, спорідненістю до субстрату, але вони каталізують одну й ту ж саму реакцію. Серед множинних форм ферментів виділяють ізоферменти, у котрих фізико-хімічні відмінності мають генетичне походження. Вміст окремих ізоферментів у різних клітинах і навіть органах неоднаковий, що дозволяє використовувати визначення іхньої активності для диференціальної діагностики вражень різних органів і тканин. Наприклад, лактатдегідрогеназа (ЛДГ), складний фермент із четвертинною структурою, складається з чотирьох субодиниць двох типів: Н і М. Комбінація цих субодиниць (поліпептидних ланцюгів) дає п’ять ізоферментних форм ферменту. ЛДГ1 2 4 6 Доба після інфаркту 8 Н Н Н Н Н Н Н ЛДГ1 Н Н М М М ЛДГ3 ЛДГ2 М Н М М М М М М ЛДГ5 ЛДГ4 Ці ізоферменти характеризуються неоднаковою швидкістю руху в електричному полі, тому для їхнього розділення використовується електрофорез. Ферменти органоспецифічні, тобто локалізовані у різних органах: ЛДГ1 – переважно у серцевому м’язі, ЛДГ5 – у скелетних м’язах. У крові їхній вміст у нормі мінімальний. При деструкції органа (інфаркті міокарда) концентрація ЛДГ1 у крові суттєво підвищується. Такі ферменти або їхні ізоферментні форми називаються індикаторними. Поліферментні системи •Це надмолекулярні комплекси, до складу яких входять різноманітні ферменти, котрі послідовно каталізують різні стадії будь-якого метаболічного процесу. Ці системи працюють подібно конвеєру: продукт першої реакції є субстратом для другого ферменту і так далі, що призводить до виграшу у відстані та часі. Часто такі ферментні ансамблі структурно пов’язані з будь-якою органелою клітини або мембраною. Приклади поліферментних систем: піруватдегідрогеназний комплекс, синтетаза вищих жирних кислот. S матрикс P Е3 Е2 Е1 Е4 мембрана 9 Загальні закономірності каталізу •Різниця між вільною енергією вихідних речовин і визначає ймовірність перебігу цієї реакції. продуктів реакції •Якщо вона вище у вихідних речовин, то можливий самовільний перебіг реакції (екзергонічна реакція), якщо навпаки, - реакція стає енергетично неможливою (ендергонічна реакція). •Швидкість екзергонічних реакцій залежить від енергетичного бар’єру, тобто енергії активації. Це та додаткова кількість енергії, наприклад, нагрівання, котру необхідно передати молекулам реагуючих речовин, щоб вони вступили в хімічну реакцію. Каталізатор (фермент) не впливає на вільну енергію вихідних речовин і продуктів, але він впливає на енергетичний профіль, тобто у присутності каталізатора реакція перебігає через низький енергетичний бар’єр. •Таким чином, ферменти зменшують енергію активації реакції, в результаті чого швидкість ферментативної реакції суттєво підвищується на відміну від неферментативної реакції. неферментативна реакція енергія активаціі неферментативної реакціі енергія активаціі ферментативної реакціі ферментативна реакція 10 Механізм дії ферментів •В класичних роботах Міхаеліса і Ментен процес ферментативного каталіза складається з трьох стадій: • E+S k1 k-1 ES ES* EP k2 E+P •1. Дифузія субстрату до ферменту та утворення ЕS (ферментосубстратного) комплексу. Це швидка та зворотна стадія. Протягом цієї стадії реалізується точна просторова, геометрична та електростатична відповідність (комплементарність) між активним центром ферменту та субстратом. •2. Перетворення первинного ES комплексу у активований - ЕS*. Ця стадія відбувається повільно, при цьому за допомогою функціональних груп ферменту зв’язки субстрату розхитуються та зменшується енергія активації реакції. •3. Відокремлення продуктів реакції від активного центру та їхня дифузія у середовище. Фермент не входить до складу кінцевих продуктів реакції. Ефективність ферментативного каталізу пояснюється наступними молекулярними ефектами: 1. Орієнтацією реагентів: субстрат з’єднується з ферментом як мінімум у трьох місцях (триточкова фіксація), що забезпечує високу вибірковість (комплементарність) зв’язування та орієнтацію субстрату. Це призводить до збільшення швидкості реакції у сотні та тисячі разів, що неможливо при безладних взаємодіях. 2. Напруженням і деформацією (ефект “диби”): при зв’язуванні з активним центром молекула субстрату деформується, напружується, і місця деформації розриваються більш легко. 3. Кислотно-основним каталізом: ферменти як білки мають у активному центрі кислотні та основні групи, тому вони можуть бути донорами або акцепторами протонів, що відрізняє ферменти від неорганічних каталізаторів. Це полегшує перебудову та розрив зв’язків у субстраті. Наприклад, так працює залишок амінокислоти гістидину в активному центрі ферменту, при його блокуванні фермент утрачає активність. 4. Ковалентним каталізом: до активного центру ферментів можуть входити групи, здатні утворювати ковалентні зв’язки з субстратом із наступним формуванням несталих ES комплексів та швидким вивільненням продуктів реакції. Як правило, для ферментів притаманно поєднання усих цих механізмів, що забезпечує 11 їхню високу активність. Кінетика ферментативних реакцій • Досліджує закономірності впливу хімічної природи реактантів і різноманітних зовнішніх умов (рH, температури та інших) на швидкість ферментативних реакцій для з’ясування механізмів біохімічних процесів. “Вивчити кінетику та не з’ясувати механізм реакції – це те ж саме, що знайти капелюх і втратити його власника” (Інгольд). • Як вже відомо, швидкість ферментативної реакції залежить від температури, рН середовища. Крім того, на швидкість реакції впливають концентрація ферменту (прямо пропорційно) та концентрація субстрату. швидкість реакції Залежність швидкості ферментативної реакції від концентрації субстрату концентрація субстрату V = Vmax . [S] КM + [S] Як видно з графіка, при низькій концентрації субстрату [S] залежність швидкості реакції V від концентрації субстрату лінійна. При високій концентрації субстрату швидкість реакції максимальна Vmax та не залежить від концентрації субстрату, тобто спостерігається ефект насичення фермента субстратом. Рівняння Міхаеліса-Ментен відображує швидкість ферментативної реакції в залежності від концентрації субстрату. КM – константа Міхаеліса – чисельно дорівнює концентрації субстрату за умов, коли швидкість ферментативної реакції дорівнює половині від максимальної (КM має розмірність концентрації). КM - це експериментально визначаєма величина, визначення якої має практичне значення для з’ясування дії ефекторів (активаторів або інгібіторів) на активність ферменту (КM обернено пропорційна активності ферменту). Більш зручним для обробки результатів є графік у координатах Лайнуївера-Берка, котрий відображує прямо пропорційну залежність. Це дозволяє легко обчислити значення константи Міхаеліса й оцінити активність ферменту за конкретних умов. 12 Регуляція активності ферментів Для оцінки активності ферментів визначають кількість розщепленого субстрату або кількість утвореного продукту реакції. Активність ферментів досліджують у стандартних умовах: • температура - 25 С • рH середовища оптимальне значення • повне насичення ферменту субстратом (швидкість реакції максимальна) • повне насичення складного ферменту кофактором Міжнародна одиниця активності ферменту (МО) – це така кількість ферменту, котра перетворює 1 мікромоль субстрату за 1 хвилину у стандартних умовах (мікромоль/хв). Питома активність - дорівнює числу одиниць ферментативної активності, що припадає на міліграм білка (мкмоль/(хв х мг білка). Катал (кат) - кількість ферменту, здатного перетворити 1 моль субстрату за 1 секунду у стандартних умовах (моль/с). Одна МО дорівнює 1/60 мккат або 16,67 нкат. Чинники, що впливають на активність ферментів: • температура • рH середовища • концентрація ферменту • концентрація субстрату • наявність активаторів або інгібіторів Таким чином, ферменти належать до каталізаторів з регульованою активністю, що дуже важливо для підтримки гомеостазу. Активація ферментів 1. Алостерична регуляція Багато ферментів належать до алостеричних, тобто до регуляторних. Крім активного центру, вони мають алостеричний центр, який знаходиться у іншому місці молекули ферменту. Такі ферменти, як правило, складаються з декількох субодиниць, тобто належать до білків із четвертинною структурою. В одній із субодиниць міститься активний центр, а в іншій - алостеричний центр, до якого приєднуються низькомолекулярні сполуки - ефектори. Структура ефектору повинна бути комплементарною до структури алостеричного центру подібно тому, як структура субстрату компле-ментарна до активного центру ферменту. Ефектори можуть бути активаторами або інгібіторами реакцій. Після приєднання алостеричного ефектору до регуляторної субоединиці відбувається зміна її конформації, що сприяє конформаційним змінам у каталітичній субодиниці. Внаслідок цього активний центр стає більш або менш комплементарним до субстрату (алостерична активація або алостеричне інгібування). 13 •Гетеротропні алостеричні ефектори – це сполуки, котрі відрізняються від субстрату за хімічною структурою. • Гомотропна алостерична регуляція притаманна ферментам, які складаються із однакових протомерів, і в кожному з протомерів міститься свій активний центр. У цьому випадку субстрат сам стає ефектором, і після його зв’язування з одним протомером відбувається активація інших. активний центр субстрат алостеричний центр активатор алостерична активація інгібітор алостеричне інгібування 2. Активація кофакторами Наявність кофакторів – необхідна умова активності складних ферментів. Функції кофакторів найчастіше всього виконують активні форми вітамінів або іони двох-, іноді одновалентних металів. Чверть відомих ферментів потребує метали для своєї активності. Наприклад, амілаза слини активується ионами натрію. Активація металами здійснюється за різними механізмами: - іони металів приймають участь у формуванні та стабілізації активного центру; - іони металів виконують роль простетичних груп; - іони металів полегшують зв’язування субстрату з активним центром ферменту; - метал приєднується до субстрату, утворюючи металосубстратний комплекс (справжній субстрат), на який діє фермент. 14 Деякі металикофактори Cu2+ Fe2+ Fe3+ K+ Mg2+ Mn2+ Mo+ Ni2+ Se+ Zn2+ 3. Частковий протеоліз - перетворення неактивного ферменту (зимогену або проферменту) у активний шляхом відщеплення поліпептидного фрагменту. За цих умов гідролізується один пептидний зв’язок, тобто головним наслідком є зміна первинної структури ферменту. Цей механізм притаманний для протеолітичних ферментів, які приймають участь у перетравленні білків. Н2О неактивный фермент неактивний фермент полі поліпептидний фрагмент активний фермент Це еволюційно сформований механізм захисту структурних білків клітин від дії протеаз. 4. Фосфорилювання - дефосфорилювання ферментів Деякі ферменти активуються при фосфорилюванні (введені негативно зарядженої фосфатної групи) під дією ферменту протеїнкінази , наприклад: АТФ АДФ ліпаза ліпаза протеїнкіназа неактивна Ф активна Інші ферменти активуються при дефосфорилюванні: глікогенсинтаза глікогенсинтаза неактивна активна Н2О протеїнфосфатаза 5. Асоціація та дисоціація протомерів Ряд ферментів активується після приєднання або відщеплення регуляторних субодиниць або білків-регуляторів. При цьому головним є зміна четвертинної структури ферменту. асоціація дисоціація 15 Інгібування ферментів • Дослідження інгібування має дуже важливе значення для порозуміння механізмів дії багатьох ферментів, а також ферментативного каталізу. Воно допомагає вивчати метаболічні процеси. Інгібітори активності ферментів використовуються в фармакології, промисловості. • Інгібітори характеризуються міцністю зв’язування з субстратом, (встановлюється за допомогою діалізу), тому вони розподіляються на дві групи: •1. Незворотні інгібітори – сполуки, що специфічно зв’язують функціональні групи ферментів, утворюючи з ними міцні ковалентні зв’язки. •2. Зворотні інгібітори – утворюють неміцні, нековалентні зв’язки з ферментами та можуть дисоціювати від ферментів. інгібітори зворотні інгібітори незворотні інгібітори конкурентні інгібітори неконкурентні інгібітори 1. Конкурентне інгібування Е Е Е Дія багатьох лікарських засобів базується на конкурентному інгібуванні. Наприклад, для лікування подагри, спричиненої накопиченням сечової кислоти, використовується конкурентний інгібітор ксантиноксидази алопуринол, який є структурним аналогом ксантину – проміжного продукту у процесі утворення сечової кислоти: алопуринол _ пуринові основи 16 ксантин ксантиноксидаза сечова кислота 2. Неконкурентне інгібування Інгібітор (I) не має структурної подібності з субстратом (S), тобто спорідненості до активного центру фермен-ту, тому зв’язування інгібітору з ферментом часто відбувається не в активному центрі, а в іншому місці молекули субстрату. При цьому може утворюватися потрійний комплекс ESI. Усунути неконкурентне інгібування високими концентраціями субстрату неможливо, для цього потрібні речовини, що зв’язують інгібітор. Е Е Е Неконкурентний інгібітор зменшує Vmax, але не впливає на спорідненність ферменту із субстратом. Конкурентний інгібітор підвищує KM, але не впливає на Vmax Алостеричне інгібування належить до неконкурентного, і часто здійснюється за механізмом оборотного негативного зв’язку: S Е1 Р1 Е2 Р2 Е3 Р3 Еn Рn _ Іноді при тривалій дії неконкурентного інгібітору та утворенні міцних зв’язків із ферментом таке інгібування стає незворотним. Незворотні інгібітори часто бувають токсичними. •Наприклад, цианіди, міцно зв’язуючись із залізом, що входить до цитохромоксидази, блокують дихальний ланцюг, що призводить до клітинної смерті. •Іони важких металів також дуже токсичні, тому що вони блокують SH-групи у активному центрі ферментів, при цьому субстрат може зв’язуватися з активним центром ферменту, але продукти реакції не утворюються. •Інгібітори холінестерази, котра розщеплює ацетилхолін, незворотно фосфорилюють каталітичну групу ферменту (отрути з нервово-паралітичною дією зарин, зоман). 17 Використання ферментів у медицині Використання ферментів у медицині здійснюється у трьох головних напрямках: 1. Ензимопатологія - дослідження ферментативної активності в нормі та патології з метою виявлення спадкових захворювань - ензимопатій, спричинених генетичними дефектами ферментів. Внаслідок цього порушуються синтез і активність ферментів, що призводить до аномалій метаболізму. 2. Ензимотерапія - використання ферментів і регуляторів дії ферментів як лікарських засобів. Наприклад, інгібітори протеолітичних ферментів (які в нормі продуцуються підшлунковою залозою у неактивному стані) використуються для запобігання аутолізу підшлункової залози при гострому панкреатиті. 3. Ензимодіагностика розвивається у двох напрямках: Використання високоочищених ферментів як аналітичних реактивів, тобто у якості специфічних реагентів, необхідних для кількісного визначення у біологічних рідинах хімічних речовин, нормальних або патологічних, з діагностичною метою. Цей метод діагностики характеризується високими специфічністю та чутливістю. У клініці за допомогою ферментів визначають вміст глюкози, лактату, сечовини, сечової кислоти та інших сполук. Визначення активності ферментів у біологічних рідинах при ураженні органів і тканин. Зміна концентрації або активності ферментів у багатьох випадках може бути наслідком, а не причиною патологічних процесів. Для цих аналізів використовуються сироватка або плазма крові, а також сеча, слина, секрет підшлункової залози та інші біологічні рідини. Більшість ферментів, активність яких досліджується у плазмі крові, є внутрішньоклітинними. У невеликій кількості внутрішньоклітинні ферменти визначаються у крові як наслідок клітинного оновлення. Але після пошкодження клітинних мембран вони вивільняються у кров, і тоді їхні концентрація й активність суттєво підвищуються, що й свідчить про ураження того або іншого органа або тканини. Тому такі ферменти називаються “індикаторними ферментами”. 18 Тести до теми “Ферменти” 1. У сироватці крові хворого визначено високу активність ізоферменту ЛДГ1. Про патологічний процес в якому органі йде мова? A. У нирках B. У печінці C. У скелетних м'язах D. У підшлунковій залозі E. У серці 2. У хворого гострий панкреатит. Які препарати повинен призначити лікар, щоб уникнути аутолізу (руйнування) підшлункової залози? A. Активатори протеаз B. Інгібітори протеаз C. Трипсин D. Хімотрипсин E. Амілазу 3. α-Амілаза слини каталізує гідроліз 1,4-глікозидних зв’язків крохмалю. Активатором цього ферменту є іони: A. Натрію B. Калію C. Міді D. Свинцю E. Заліза 4. У регуляції активності ферментів важливу роль відіграє їх ковалентна модифікація. Який із зазначених механізмів здійснюється при регуляції активності глікогенфосфорилази і глікогенсинтетази? A. Обмежений протеоліз B. Метилювання C. Аденілювання D. Фосфорилювання-дефосфорилювання E. АДФ-рибозилювання 5. Важливим кишковим ферментом є трипсин, який розщеплює пептони, що надійшли зі шлунку. До якого класу ферментів він належить? A. Оксидоредуктаз B. Трансфераз C. Гідролаз D. Ліаз E. Лігаз Еталони відповідей: 1- Е; 2 – В; 3 – А; 4 – D; 5 – C. 19 ВІТАМІНИ ”Аміни жизни” (К.Функ) Вітаміни - це необхідні для нормальної життєдіяльності харчові низькомолекулярні органічні сполуки, синтез яких у организмів даного виду відсутній або ограничен. • Джерела вітамінів у людини – продукти харчування та бактерії кишечнику. Деякі вітаміни надходять в організм у вигляді попередників - провитамінів, котрі в тканинах перетворюються в активні речовини (наприклад, каротиноїди, котрі містяться в моркві, томатах, червоному перці, - це провітаміни вітаміну А). Вітаміни мають характерні особливості. Вони: не включаються до структури органів і тканин; не використовуються як джерела енергії. • Класифікація та номенклатура вітамінів Кожний вітамін має свій буквений символ, а також хімічну та фізіологічну назву. Наприклад, вітамін С = аскорбінова кислота = антискорбутний вітамін. Вітаміни класифікуються на жиророзчинні та водорозчинні. 1. Жиророзчинні вітаміни – вітаміни А, D, Е, К, а також вітаміноподібні речовини убіхінон (вітамін Q), есенціальні жирні кислоти (вітамін F) 2. Водорозчинні вітаміни – вітаміні групи В, вітаміни Н, С, вітаміноподібні речовини - холін, ліпоєва кислота, карнітин, оротова кислота та інші Дисбаланс витамінів в організмі Гіповітаміноз – часткова нестача вітамінів (має клінічні та біохімічні прояви). Авітаміноз – повний дефіцит вітамінів. Гіпервітаміноз - надлишок вітамінов (стосується головним чином жиророзчинних вітамінів, які можуть накопичуватися в організмі та призводити до інтоксикації). Причини дисбалансу вітамінів: Екзогенні причини: нераціональне харчування. Ендогенні причини: - порушення всмоктування у кишечнику - збільшена потреба (наприклад, при вагітності) - захворювання печінки - посилення розпаду вітамінів - поразка мікрофлори кишечника 20 Гіповітамінози мають спільні ознаки: підвищення втомленості, зниження захисних сил організму. На відміну від гіповітамінозів, авітамінози завжди мають специфічні клінічні прояви, викликані порушеннями певних біохімічних процесів. Це пояснюється тим, що більшість водорозчинних вітамінів перетворюється в організмі в свої активні, тобто коферментні формі ( нуклеотид або фосфорний ефір), котрі далі зв’язуються з білковою частиною – апоферментом, утворюючи складні холоферменти. Холоферменти каталізують певні біохімічні реакції: вітамін активація кофермент зв’язування апофермент холофермент субстрат каталіз продукт Біологічна роль вітамінів Водорозчинні вітаміни є коферментами складних ферментів або складовими компонентами коферментів. Вони приймають участь в усіх видах обміну речовин. Жиророзчинні вітаміни входять до складу біологічних мембран. Крім того, вони виконують різноманітні регуляторні функції на ріні як окремих клітинних структур, так і організму в цілому. Багато вітамінів є антиоксидантами. Вони захищають біологічні молекули від окиснення активними формами кисню. Mетаболізм вітамінів Після всмоктування в кишечнику жиророзчинні вітаміни депонуются в тканинах. Далі жиророзчинні вітаміни використовуються, коли це є необхідним. Водорозчинні вітаміни перетворюються в організмі в активну форму – коферменти. Після виконання каталітичної функції у складі ферментів вони розпадаються та виводяться з організму. Антивітаміни Антивітаміни – це природні та синтетичні сполуки, котрі заважають біологічній дії вітамінів. Існують дві групи антивітамінів: - структурні аналоги вітамінів, котрі блокують активні центри ферментів, тому що вони зв’язуються з білковою частиною ферменту замість вітаміну, що призводить до конкурентного інгібування ферменту. Внаслідок цього гальмується певна біохімічна реакція, що має клінічні прояви гіпо- або авітамінозу. Наприклад, препарат ізоніазид, котрий використовується для лікування туберкульозу, є антивітаміном вітамінів РР і В6. - антивітаміни, котрі розщеплюють або зв’язують вітаміни. Наприклад, в сирій рибі міститься фермент тіаміназа, котрий розщеплює тіамін, а в сирих білках курячих яєць міститься авідин – антивітамін біотину. 21 ВІТАМІН В1 - ТІАМІН - антиневритний Коферментна форма – тіамінпірофосфат - ТПФ (кокарбоксилаза) Активація вітаміну проходить за дрпомогою АТФ (у якості джерела двох залишків фосфорної кислоти ) і ферменту тіамінфосфокіназі: АТФ АМФ B1 ТПФ Біологічна роль ТПФ входить до складу піруватдегідрогеназного та α-кетоглутаратдегідрогеназного комплексів у реакціях окиснювального декарбоксилювання пірувату та ά-кетоглутарату (у циклі трикарбонових кислот), тобто сприяє вивільненню енергії з вуглеводів і ліпідів: піруват ацетил-КоА + СО2 пируватдегидрогеназа ά-кетоглутарат сукциніл-КоА + СО2 ά-кетоглутаратдегидрогеназа ТПФ входить до складу транскетолази (пентозофосфатний шлях окиснення глюкози), що необхідно для синтезу жирів і нуклеїнових кислот. Гіповітаміноз: поліневрит ( бері-бері, синдром Верніке) - пораження серцево-судинної та нервової систем, шлунково-кишкового тракту (характерна біохімічна ознака – підвищення концентрації пірувату в крові, сечі, тканинах і органах). 22 ВІТАМІН В2 – рибофлавін – вітамін росту Коферментні форми: флавінмононуклеотид - ФМН флавінаденіндинуклеотид – ФАД Для активації вітаміну потрібний АТФ як донор залишків фосфорної кислоти в синтезі ФМН та як донор АМФ в синтезі ФАД: АТФ АДФ B2 АТФ ФМН ФФ ФАД Флавінмононуклеотид (ФМН) Флавінаденіндінуклеотид (ФАД) Біологічна роль ФМН і ФАД - простетичні групи багатьох ферментів – флавопротеїнів (аеробних та анаеробних дегідрогеназ і оксидаз), котрі приймають участь у окисненні різноманітних проміжних речовин вуглеводного, ліпідного та білкового обмінів. Гіповітаміноз: затримка росту, запальні процеси слизової оболонки язику (глосит), губ, епітелію шкіри, очей (кон’юнктивит, кератит, катаракта). 23 В5 – РР - нікотинова кислота, нікотинамід, ніацин, протипелагричний Нікотинова кислота Нікотинамід На відміну від інших витаминів, нікотинамід може синтезуватися в организмі людини з амінокислоті триптофану. Коферментні форми – нікотинамідаденіндинуклеотид – НАД+ нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат -НАДФ+ НАД+ НАДФ+ Біологічна роль нікотинових коферментів: - здійснюють транспорт водню в окисно-відновних реакціях, виступають коферментами піридинзалежних анаеробних дегідрогеназ; - виступають субстратами для синтетичних реакцій реплікації та репарації; - виступають алостеричними регуляторами активності ряду ферментів. Гіповітаміноз – пелагра: - дерматит (симетрічні пошкодження ділянок шкіри); - діарея (порушення травлення); - деменція (порушення інтелекту). 24 Вітамін В6 – піридоксин - антидерматитний піридоксол Коферментні форми – піридоксаль піридоксамін піридоксальфосфат - ПАЛФ, піридоксамінфосфат - ПАМФ ПАЛФ ПАМФ Коферментні форми утворюються шляхом фосфорилювання вітаміну за допомогою АТФ і ферменту піридоксалькінази: АТФ АДФ Біологічна роль: B6 піридоксалькіназа ПАЛФ ПАЛФ і ПАМФ входять до складу піридоксалевих ферментів, каталізуючих основні реакції амінокислотного (білкового) обміну: - реакції трансамінування амінокислот (трансамінази або амінотрансферази); - реакції декарбоксилювання амінокислот (декарбоксилази); - біосинтез гему та сфінголіпідів; - перетворення триптофану у вітамін РР. Піридоксалеві коферменти також приймають участь у активному транспорті амінокислот крізь клітинні мембрани. Гіповітаміноз: пелагроподібний дерматит (не лікується вітаміном РР); анемія; судоми; підвищена збудливість центральної нервової системи; піридоксальзалежні ензимопатії (гомоцистинурія). Гіповітаміноз піридоксину може виникати також при тривалому лікуванні туберкульозу ізоніазидом – антивітаміном вітаміну В6 . 25 ФОЛІЄВА КИСЛОТА (вітамін В9 або Вс) фактор росту (антианемічний) Джерела вітаміну: їжа та мікрофлора кишечника Залишок птеридину параамінобензойна кислота глутамінова кислота Коферментна форма - тетрагідрофолієва кислота (ТГФК) – Н4-фолат Коферментна форма утворюється шляхом поступового відновлення вітаміну: ФК + НАДФН2 ДГФК + НАДФН2 фолатредуктаза дигідрофолатредуктаза ДГФК + НАДФ+ ТГФК + НАДФ+ 4-аміноптерін – протипухлинний Біологічна роль: засіб – інгібітор синтезу ТГФК ТГФК приймає участь у межмолекулярному транспорті одновуглецевих залишків (метильних, оксиметильних, формільних, формімінових, метенільних), котрі використовуються у метаболізмі пуринових і піримідинових нуклеотидів (тобто, у синтезу ДНК і РНК), амінокислот (метіоніну, серину, гліцину), фізіологічно активних сполук. Біохімічні функції фолієвої кислоти тісно пов’язані з обміном вітамину В12. Обидва вітаміни є синергістами. Гіповітаміноз – тромбоцитопенія. анемія (макроцитарна, мегалобластична), спру, лейкопенія, Гиповитаминоз До гіповітамінозу може призвести дисбактеріоз, спричинений тривалим лікуванням сульфаніламідними препаратами структурними аналогами пара-амінобензойної кислоти (складової фолієвої кислоти). Ці ліки порушують синтез фолієвої кислоти мікрофлорою кишечника, необхідною для синтезу нуклеїнових кислот цих бактерій. 26 ВІТАМІН В12 - кобаламін – антианемічний Коферментні форми: метилкобаламін (метил-В12) дезоксиаденозилкобаламін (ДА - В12) Біологічна роль : - метил-В12 разом з ТГФК бере участь у реакціях трансметилювання, тобто у межмолекулярному переносі метильних груп (ресинтез метіоніну, синтези адреналіну, креатину, пуринових і піримідинових нуклеотидів, необхідних для синтезу ДНК и РНК; -ДА-В12 - це кофермент метилмалоніл-КоА-мутази – ферменту, що каталізує перетворення метилмалоніл-КоА (утворюється внаслідок окиснення жирних кислот з непарною кількістю атомів вуглецю) у сукциніл-КоА (метаболіт циклу Кребса). 24 27 Вітамін С – аскорбінова кислота, антискорбутний вітамін L-аскорбінова кислота L-дегідроаскорбінова кислота Біологічна роль : -бере участь у окисно-відновних реакціях (гідроксилювання в синтезі нейромедіаторів, стероїдних гормонов, колагену, гемоглобіну та інших сполук); - підсилює всмоктування та використання заліза у тканинах; - є антиоксидантом. Авітаміноз: цинга (скорбут) – порушення синтезу колагену, глікопротеїнів, що призводить до ураження судинних стінок; петехії; кровоточивість з ясен; анемія. ВІТАМІН Р - РУТИН - вітамін проникності (флавоноїди) Р-вітамінні активні речовини : кверцетин, рутин, катехін Біологічна роль: зміцнення стінки капілярів, зменшення проникності судин. Механізм дії: стабілізує основну міжклітинну речовину сполучної тканини, інгібує гіалуронідазу (фермент, який каталізує розщеплення гіалуронової кислоти – складової основної міжклітинної речовини сполучної тканини); захищає від окиснення аскорбінову кислоту. Гіповітаміноз - підвищення проникності судин проницаемости (крововиливи, кровоточивість), швидка стомлюваність, біль у кінцівках. Супроводжує нестачу вітаміну С (цингу). Аскорутин - препарат, котрий складається з двох вітамінівсинергістів: вітаміну С і вітаміну Р. 28 ВІТАМІН В3 - ПАНТОТЕНОВА КИСЛОТА β-аланін Коферментні форми– меркаптоетіламін кофермент А (коензим А) НS-КоА, пантотенова кислота 4-фосфопантотеїн 3-фосфоаденозін-5-діфосфат Биологічна роль: НS-КоА бере участь у наступних реакціях: - активації ацетату та жирних кислот; - окисненні та синтезі вищих жирних кислот; - синтезі холестеринута інших стероїдів; - синтезі кетонових тіл; - ацилюванні у синтезах гему та ацетилхоліну; -окисному декарбоксилюванні пірувату та α-кетоглутарату. Гіповітаміноз: відсутній. (Pantothen - грец. – скрізь присутній) ВІТАМІН Н – Біотин – антисеборейний вітамін Джерело – мікрофлора продукти рослинного та походження. кишечника, тваринного Біологічна роль: у якості простетичної групи входить до складу біотинових ферментів, які каталізують реакції карбоксилювання та транскарбоксилювання: - у біосинтезі жирних кислот (ацетил-КоА-карбоксилаза); - у перетворенні пірувату в оксалоацетат (піруваткарбоксилаза); - у біосинтезі пуринових нуклеотидів. Гіповітаміноз спостерігається при порушенні нормальної мікрофлори кишечника (внаслідок довготривалого лікування антибіотиками та сульфаніламідами), при вживанні багатої кількості сирого яєчного білка, в котрому міститься глікопротеїн авідин, котрий порушує всмоктування біотину. Прояви: дерматит, надмірне виділення сальними залозами сала, випадання волосся, ураження нігтів. 29 Тести з теми “Вітаміни” 1. При ентеробіозі призначають акрихін – структурний аналог вітаміну В2. Порушення синтезу яких ферментів у мікроорганізмів викликає цей препарат? A. Піридинових дегідрогеназ B. Цитохромоксидаз C. ФАД-залежних дегідрогеназ D. НАД- залежних дегідрогеназ E. Амінотрансфераз 2. Вагітній жінці, що мала в анамнезі декілька викиднів, призначена терапія, яка містить вітамінні препарати. Укажіть вітамін, який найбільш сприяє розвитку ембріона. A. Вітамін А B. Нікотинова кислота. C. Тіамін D. Піридоксальфосфат. E. Фолієва кислота. 3. Хворим на туберкульоз призначають лікарський засіб, який є антивітаміном піридоксалю. Назвіть цей фармацевтичний препарат. A. Сульфаніламід B. Ізоніазід C. Ізорибофлавін D. Окситіамін E. Акрихін 4. При хворобах різного патогенезу рівень активних форм кисню дуже зростає, що призводить до руйнування клітинних мембран. Для запобігання цьому процесу використовують антиоксиданти. Найпотужнішим природнім антиоксидантом є: A. Тіамін B. Глюкоза C. Вітамін Д D. Жирні кислоти E. Альфа-токоферол 5. Хворим з поганим станом імунітету та частими простудними хворобами рекомендують аскорутин. Яка сполука в цьому препараті посилює дію витаміну С? A. Вітамін А B. Вітамін РР C. Вітамін Р D. Вітамін К E. Вітамін D 30 6. Для діагностики ряду захворювань визначають активність трансаміназ крові. Який вітамін входить до складу кофакторів цих ферментів? A. В6 B. В2 C. В1 D. В8 E. В5 7. У хворих на пелагру є прояви неврастеничного синдрому, понос, дерматит. Недостатністю якого вітаміну обумовлені зазначені зміни? A. Вітаміну К B. Вітаміну А C. Вітаміну С D. Вітаміну D E. Вітаміну РР 8. Злоякісна гіперхромна анемія – хвороба Бірмера – виникає внаслідок нестачі вітаміну В12. Який біоелемент входить до складу цього вітаміну? A. Кобальт B. Молібден C. Цинк D. Залізо E. Магній 9. У процесі лікування парадонтозу застосовують антиоксиданти природного та штучного походження. Вкажіть, яка з наведених природних сполук використовується в якості антиоксидантного засобу? A. Нікотинова кислота B. Фолієва кислота C. Глюконова кислота D. Пантотенова кислота E. Аскорбінова кислота 10. Внаслідок дефіциту вітаміну В1 порушується окисне декарбоксилювання альфакетоглутарової кислоти. Синтез якого з наведених коферментів порушується при цьому? A. Тіамінпірофосфату B. Нікотинамідаденіндинуклеотиду C. Флавінаденіндинуклеотиду D. Ліпоєвої кислоти E. Коензиму А 31 11. Після тривалого вживання сульфаніламідних препаратів у хворого розвинулась мегалобласна анемія. Утворення активної форми якого вітаміну відбувається при цьому? A. Рибофлавіну B. Тіаміну C. Фолієвої кислоти D. Пантотенової кислоти E. Аскорбінової кислоти 12. Хворому похилого віку з ішемічною хворобою серця призначений препарат кокарбоксилаза, що є іншою назвою тіамінпірофосфату. Який вітамін входить до складу цього коферменту? A. Вітамін В2 B. Вітаміну В1 C. Вітаміну В5 D. Вітаміну В6 E. Вітаміну В12 13. За відсутності якого вітаміну спостерігаються такі прояви, як діарея, деменція та дерматит? A. Вітаміну С B. Вітаміну Р C. Вітаміну Н D. Вітаміну Д E. Вітаміну РР 14. У процесі лікування парадонтозу застосовують антиоксиданти. Вкажіть, яка з наведених природних сполук використовується в якості антиоксидантного засобу? A. Глутамінова кислота B. Аскорбінова кислота C. Пантотенова кислота D. Фолієва кислота E. Нікотинова кислота Еталони відповідей: 1- С; 2 – Е; 3 – В; 4 – Е; 5 – C. 32 ВСТУП ДО ОБМІНУ РЕЧОВИН БІОЕНЕРГЕТИКА Біоенергетика, або біохімічна термодинаміка, займається досліджненням енергетичних перетворень, що супроводжують біохімічні реакції. Її головні принципи дозволяють пояснити, чому трапляються одні реакції та неможливі інші. Небіологічні системи можуть здійснювати роботу за рахунок теплової енергії, біологічні – за рахунок енергії хімічних процесів. В чому полягає важливість вивчення цієї теми для майбутніх лікарів і фармацевтів? Уся неохідна для життєдіяльності енергія повинна потрапляти в організм у вигляді палива – харчових продуктів. Знання того, як організм вивільнює цю енергію є основою для порозуміння процесів нормального харчування. Вичерпання енергетичних ресурсів призводить до голодної смерті, а запасання надлишкової енергії у вигляді харчовин речовин – до ожиріння. Корекція порушень обмінних процесів за допомогою фармацевтичних засобів також повинна враховувати енергетичні потреби організму. Всі хімічні реакції в живих клітинах підпорядковуються законам термодінамики. Перший закон : енергія не створюється з нічого та не зникає, вона лише перетворюється в еквівалентних кількостях з одного виду в інший, тобто внутрішня енергія системи залишається постійною. Самовільно хімічні процеси можуть проходити лише в одному напрямку – досягнення рівноваги, тобто максимальної ентропії. Ентропія – це міра хаосу, неупорядкованості. Другий закон: ентропія при самовільних процесах зростає. Самовільно неупорядкована система ніколи не перетвориться в упорядковану. Для цього перетворення треба витратити додаткову енергію. Напрямок перебігу реакцій можна визначити на практиці за допомогою вільної енергії системи, котру можна вимірити. ΔG=ΔН-TΔS Енергетичний стан будьякої системи виражається цією формулою Δ G - це та частина енергії системи, котру можна використовувати для виконання роботи; Т Δ S - зв’язана енергія, котра не може бути використана на роботу; ΔН - ентальпія – внутрішня енергія системи (може бути вимірена експериментально) якщо ΔG < 0, то реакція екзергонічна, тобто перебігає самовільно з вивільненням енергії (ці реакції постачають клітинам енергію); якщо ΔG > 0, то реакція ендергонічна, тобто відбувається з використанням зовнішньої енергії; якщо ΔG = 0, - це стан рівноваги.. 33 Життєво необхідні процеси – реакції синтезу, скорочення м’язів, проведення нервових імпульсів, активний транспорт – отримують енергію шляхом хімічного поєднання з окисними реакціями, тобто існує поєднання екзергонічних реакцій з ендергонічними. До екзергонічних реакцій належать катаболічні реакції - реакції розщеплення або окиснення “паливних” молекул (енерговмісних нутрієнтів), котрі надходять в організм у складі харчових продуктів. До ендергонічних реакцій належать анаболічні реакції - реакції синтезу складних біоорганічних сполук – клітинних макромолекул. •Сукупність усіх біохімічних перетворень хімічних речовин у живому організмі - це метаболізм. Поєднання ендергонічних процесів з екзергонічними Клітинні макромолекули: білки полісахариди ліпіди нуклеїнові кислоти Енерговмісні нутрієнти: вуглеводи ліпіди білки АДФ+Ф НАД+ НАДФ+ ФАД анаболізм АТФ НАДН2 НАДФН2 ФАДН2 катаболізм хімічна енергія Молекулипопередники: амінокислоти моносахариди жирні кислоти азотові основи 34 Енергетично бідні кінцеві продукти СО2 Н2О NН3 Катаболічні шляхи вивільнюють енергію у вигляді АТФ, а також НАДН2, НАДФН2 і ФАДН2 . Ця енергія може використовуватися в анаболічних реакціях для синтезу клітинних макромолекул із низькомолекулярних сполук. Для поєднання цих процесів необхідний посередник. У процесі екзергонічних реакцій синтезуються сполуки з високим енергетичним потенціалом ~Е, котрі вже далі використовуються в ендергонічних реакціях. Таким шляхом трапляється передача хімічної енергії від екзергонічного до ендергонічного процесу.Сполуки з високим енергетичним потенціалом, макроергічні сполуки (~Е), – це біомолекули з високою стандартною вільною енергією перенесення кінцевої фосфатної групи. рибоза ~ аденін Головним макроергом у живих організмах є аденозинтрифосфат (АТФ), котрий забезпечує передачу вільної енергії від екзергонічних до ендергонічних процесів. Символ (~) означає, що перенос групи, поєднаної таким зв’язком, супроводжується вивільненням великої кількості вільної енергії. Вільна енергія гідролізу кінцевої фосфатної групи АТФ: АТФ Ф гідроліз рибоза ΔG0 = - 30,5 кДж/моль. аденін АДФ Синтез АТФ із АДФ і фосфату (фосфорилювання АДФ) відбувається в організмі за двома шляхами, котрі відрізняються один від іншого джерелом енергії для утворення макроергічного зв’язку : енергія АДФ + Ф АТФ 1.Окисне фосфорилювання (головний шлях синтезу): здійснюється за рахунок енергії окиснення різноматітних сполук (метаболітів або субстратів окиснення). 2. Субстратне фосфорилювання: здійснюється за рахунок енергії розриву макроергічних зв’язків субстрату. Крім АТФ, існують й інші макроерги. Це метаболіти вуглеводного, ліпідного та амінокислотного обмінів, а також фосфагени (креатинфосфат), котрі виступають як резервуари макроергічних зв’язків: Макроергічні сполуки: ΔG0 ∼ фосфоенолпіруват - 61,9 кДж/моль ∼ карбамоїлфосфат - 51, 4 кДж/моль ∼1,3-дифосфогліцерат - 49,3 кДж/моль ∼ креатинфосфат - 43,1 кДж/моль 35 Таким чином, завдяки накопиченню енергії у специфічних фосфатних зв’язках АТФ стає можливим її перенесення в живих клітинах. Але оскільки жива клітина не є рівноваговою системою, хімічна енергія може накопичуватися у макроергічних зв’язках після її вивільнення із харчувальних речовин. Слід розуміти, що енергія вивільняється лише з продуктів розпаду харчувальних речовин, котрі утворюються внаслідок обміну речовин. Обмін речовин в організмі людини складається з наступних послідовних стадій: 1. Надходження харчувальних речовин - білків, жирів, вуглеводів - у складі продуктів харчування. 2. Перетравлення харчувальних речовин у шлунково-кишковому тракті до простих сполук, здатних до всмоктування у слизовій оболонці кишечника. 3. Транспорт продуктів перетравлення до певних органів і тканин за допомогою крові та лімфи. 4. Внутрішньоклітинний метаболізм - проміжний обмін. 5. Виведення з організму кінцевих продуктів обміну речовин: вуглекислого газу, води, сечовини, солей амонію. 36 3 стадія (спільна для всіх видів обміну речовин) - окиснення ацетил~КоА до кінцевих продуктів – вуглекислого газу та води. Ця стадія локалізована в клітинних енергетичних станціях - мітохондріях, і складається із двох процесів: циклу трикарбонових кислот (ЦТК), внаслідок котрого утворюється СО2, а атоми водню використовуються для відновлення коферментів НАД і ФАД. Водень - це універсальне енергетичне паливо, що використовується у дихальному ланцюгу для утворення енергії та води. система транспорту електронів в мембранах мітохондрій, в якій атоми водню поступово переносяться на кисень з утворенням ендогенної, або метаболічної, води. Ця система поєднана з окисним фосфорилюванням, внаслідок якого енергія біологічного окиснення використовується для синтезу АТФ. БІЛКИ ВУГЛЕВОДИ амінокислоти моносахариди ЛІПІДИ гліцерин жирні кислоти піруват NН3 СО2 ацетил-КоА СО2 2Н+ О2 СО2 ЦТК 2Н+ 2Н+ 2Н+ Дихательний ланцюг мітохондрій тепло енергия АДФ + Ф Н2О АТФ 37 Шляхи використання кисню в реакціях біологічного окиснення • • • • • • • • • • • • • • • 38 Існує чотири типи реакцій окиснення органічних субстратів , в котрих використовується кисень. 1. Оксидазний шлях (80-90% споживання кисню) Продукти – окиснений субстрат, вода та енергія. Реализується у мітохондріях у дихальному ланцюзі. 2. Оксигеназний шлях (8-12% споживання кисню): - за допомогою монооксигеназ: один атом кисню включається у субстрат, другий – у молекулу води; - за допомогою діоксигеназ: обидва атоми кисню включаються у субстрат Це вільне, непоєднане з синтезом АТФ окиснення природних або неприродних субстратів (ксенобіотиків) відбувається в мікросомах печінки, кори наднирників. Воно називається мікросомальним окисненням. Шляхом мікросомального окиснення із холестерину утворюються жовчні кислоти, стероїдні гормони, а в печінці знешкоджуються ксенобіотики, в тому числі лікарські препарати, токсини екзо- та ендогенного походження. Мікросомальні ланцюги – це короткі ланцюги транспорту протонів та електронів, джерелом котрих є відновлений НАДФ, а активатором кисню – цитохром Р-450. 3. Пероксидазний шлях: це шлях відновлення кисню до пероксиду водню за допомогою пероксидутворюючих ферментів – флавопротеїнів. За цим шляхом окиснюються біогенні аміни, амінокислоти. Перекис водню – це токсична речовина, але у фагоцитуючих клітинах, наприклад, лейкоцитах, її утворення необхідне для знешкодження патогенних бактерій. 4. Вільнорадикальне окиснення відбувається під дією активних форм кисню (АФК), що утворюються шляхом одноелектронного відновлення кисню. До АФК належать: - супероксид-аніон; - перекис водню; - гідроксильний радикал; - синглетний кисень. АФК – це дуже реакційноздатні молекули, котрі самовільно прискорюють ланцюгові реакції перекисного окиснення ліпідів (ПОЛ) та шляхом окиснення модифікують структуру інших макромолекул: білків, нуклеїнових кислот. Процеси споживання кисню активно відбуваються у мембранах, особливо у ділянках із ненасиченими жирними кислотами у складі фосфоліпідів. У номальних клітинах таким чином відбувається оновлення мембран, регулюється їхня проникність. При надмірній активації ПОЛ виникають незворотні зміни, котрі призводять до загибелі клітин. Супероксид-аніон активує утворення в тканинах NО-радикалу, котрий сприяє вазодилатації. Після перетворення останнього в пероксинітрит індукується апоптоз – запрограмована смерть клітин. За допомогою антиоксидантів клітини захищають себе від дії радикалів кисню. Антиоксидант вітамін Е обриває ланцюгову реакцію перекисного окиснення жирних кислот шляхом утворення з радикалами неактивних форм. Його синтетичний аналог – ацетат токоферолу – використовується в медицині. Біологічне окиснення АТФ-синтаза •Біологічне окиснення, що супроводжується кристи споживанням кисню з наступним утворенням енергії та води, називається тканинним диханням. Це багатостадійний процес перенесення атомів водню (протонів і електронів) від субстарту до кисню з утворенням води та вивільненням енергії. SH2 •Субстрати окиснення утворюються внаслідок катаболізму вуглеводів, ліпідів і білків. Процес їхнього окиснення відбувається не за рахунок приєднання атомів кисню, а шляхом дегідрування, тобто відщеплення атомів водню. Н2 Водень – це універсальне енергетичне паливо, котре використовується у тканнинному диханні для утворення енергії та води. •Тканинне дихання складається з поліферментного ланцюгу перенесення електронів і протонів, котрий називається мітохондріальним дихальним ланцюгом або дихальним ансамблем. Його складові вбудовані во внутрішню мембрану мітохондрій: від 5 до 20 рибосоми тисяч ансамблей в одній мітохондрії. протонні канали зовнішня мембрана внутрішня мембрана матрикс Проміжні переносники (Р) при транспортуванні електронів від вихідного донору електронів (субстрату) SH2 до термінального акцептору – кисню О2 Повний процес складається з ланцюгу послідовних окисно-відновних реакцій, в котрих переносники взємодіють один із іншим. Кожний проміжний переносник (Р) спочатку виступає у ролі акцептору електронів і протонів, тобто відновлюється. Далі він передає електрон наступному переноснику і знов повертається до окисненого стану. На останній стадії переносник передає електрони кисню, котрий після приєднання протонів відновлюється до води. відновл. відновл. відновл. відновл. 39 1. НАД-залежні дегідрогенази Це складні ферменти, котрі безпосередньо каталізують .. реакції окиснення субстратів + Н+ (первинні дегідрогенази). R НАД+, активна форма вітаміну НАДН РР, - кофермент цих ферментів. (відновлена форма) Від субстрату на НАД+ переносяться два електрони й один протон. Другий протон переходить у середовище. Н 2Н+2е- НАД+ (окиснена форма) 2. Флавінові дегідрогенази або флавопротеїни (ФП) 2Н+2е- Н Н ФАДН2 (ФМНН2) ФМН ФМН Це складні ферменти з простетичними групами ФМН або ФАД (активні форми вітамину В2). (відновлені) ФАД-залежні дегідрогенази каталізують окиснення ряду субстратів, наприклад, бурштинової кислоти (сукцинату), тобто це первинні дегідрогенази (сукцинатдігидрогеназа). ФМН є простетичною групою НАДНдегідрогенази. Цей фермент необхідний для окиснення НАДН. ФАД ФАД, (ФМН) (окиснені) 3. Убіхінон – коензим Q (КоQ) КоQ (окиснений) 2Н+2еОН КоQН2 40 ОН (відновлений) Це невелика молекула, розчинна у ліпідному шарі мембрани завдяки неполярному боковому ланцюгу. КоQ легко переміщується всередині мембрани. Назва “убіхінон” виникла завдяки його розповсюдженості у природі. Коензим Q є колектором протонів і електронів від відновлених коферментів ФМНН2 і ФАДН2. Його відновлена форма КоQН2. 4. Залізо-сірчані білки (FeS – білки) білок Це складні білки, котрі містять негемінове залізо та сірку. Ці білки локалізовані в ліпідному шарі мембран. Вони можуть зворотньо окиснюватися та відновлюватися, тобто переносити електрони. Подібні окисно-відновні системи стабільні лише у складі білків. Вони можуть мати від 2 до 6 іонів заліза, котрі утворюють комплекси різного складу з неорганічним сульфідом і SH-групами залишків цистеїну білкових молекул. 5. Цитохроми Це складні білки – гемопротеїни, що містять гем простетичну групу, подібно до гему гемоглобіну. Гем містить гемінове залізо, здатне змінювати валентність, тобто переносити тільки електрони. білок гем С Цитохроми відрізняються один від іншого як за складом білка, так і за замісниками у гемі. Вони мають різні фізико-хімічні властивості та окисно-відновні потенціали. В дихальному ланцюзі цитохроми необхідні для перенесення електронів. Вони розташовані згідно з величинами їхніх окисно-відновних потенціалів наступним чином: цитохром b, цитохром с1, цитохром с, цитохроми а, а3. Цитохром аа3 , або цитохромоксидаза, - це термінальный фермент, котрий переносить електрони безпосередньо на кисень (аеробний фермент). Він складається з 6 субодиниць та, крім гемінового заліза, містить іони міді. У перенесенні електронів спочатку беруть участь іони заліза цитохромів а й а3, а далі - іон міді цитохрому а3. Молекулярна організація ланцюгу перенесення електронів Усі учасники ланцюгу перенесення електронів структурово об’єднані в чотири окисновідновні системи – мультиферменті комплекси I – IV, вбудовані у ліпідний матрикс внутрішньої мембрани мітохондрій. Процес окиснення починається з перенесення протонів і електронів з субстрата, що окиснюється, на НАД+ або ФАД. Це залежить від природи субстрату. SH2 41 мембрана Fe-S ФМН НАДН НАД+ SH2 ізоцитрат піруват малат глутамат та інші Комплекс I – НАДН-дегідрогеназа – флавопротеїн, що містить ФМН. Цей фермент 3-фосфат окиснює НАДН і передає два атоми водню ФАД (2Н+ 2е-) на коензим Q. Комплекс також містить FeS-білки. Комплекс II – сукцинатдегідрогеназа – флавопротеїн, що містить ФАД. Цей фермент окиснює сукцинат і транспортує два атоми ФАД ФАД водню (2Н+ 2е-) на коензим Q. У складі комплекса присутні FeS-белки. сукцинат ацил-КоА У матриксі мітохондрій також містяться й інші ФАД-залежні дегідрогенази, котрі окиснюють відповідні субстрати (гліцерол-3матрикс фосфат, ацил-КоА) та далі передають атоми митохондрії водню на коензим Q. гліцерол- Потоки атомів водню об’єднуються на стадії утворення відновленого КоQН2 . Коензим Q є останнім компонентом ланцюгу, котрий здатний транспортувати не тільки протони, але й електрони (2Н+ 2е-). Далі протони (2Н+) переходять із внутрішньої поверхні мембрани мітохондрії на зовнішню, а електрони (2е-) крізь ланцюг цитохромів переносяться на кисень. Міжмембранний простір НАДНН НАД+ сукцинат фумарат матрикс ½ О2+2Н Н2О Комплекс III – убіхінондегідрогеназа – це ферментний комплекс, котрий включає цитохром b, FeS-білок і цитохром с1. Цей комплекс транспортує електрони 2е- від відновленого убіхінону КоQН2 на цитохром с (невеликий за розмірами водорозчинний білок, що міститься на зовнішній стороні внутрішньої мембрани). Комплекс IV – цитохром с-оксидаза – ферментний комплекс, що складається з цитохромів а й а3. Ці ферменти здійснюють останню стадію біологічного окиснення – відновлення електронами ( 2е- ) молекулярного кисню: 2е + ½ О2 О2- Відновлений кисень О2- реагує з вільними протонами (2Н+ ) матриксу. В результаті реакції утворюється ендогенна, або метаболічна, вода: 42 2Н+ + О2- Н2О Комплекс I ФМН FeS НАД+ SH2 Комплекс III Q b FeS c1 Комплекс IV с a a3 1/2О2 Комплекс II ФАД 2Н FeS Н2О SH2 Напрямок перенесення протонів і електронів визначають окисно-відновні потенціали. Для забезпечення спонтанного перенесення компоненти окисно-відновного ряду повинні розташовуватися згідно зі збільшенням величин потенціалів. Редокс-потенціал пари НАД+/НАДН = - 0,32 В, що свідчить про високу здатність віддавати електрони. Редокс-потенціал пари кисень/вода = + 0,82 В, що свідчить про високу спорідненість до електронів. -0,32 Загальна різниця редокс-потенціалів дорівнює 1,14 В. Цьому відповідає зміна вільної енергії ΔG = - 220 кДж/моль. Ця загальна величина енергії реакції розподіляється на невеликі та більш зручні «пакети», величини котрих визначаються за різницею окисно-відновних потенціалів відповідних проміжних продуктів. Припускається, що цей розподіл на пакети забезпечує дихальному ланцюгу дивовижно високий вихід енергії, що складає приблизно 60%. +0,82 Дихальний ланцюг мітохондрій О2 тепло энергія АДФ + Ф Н2О АТФ При проходженні по дихальному ланцюгу пари електронів вивільняється енергія, більша частина котрої (60%) розсіюється у вигляді тепла, а інша акумулюється у макроергічниз зв’язках АТФ, а саме поглинається в реакції синтезу АТФ-окисному фосфорилюванні. 43 Це фосфорилювання називається окисним, тому що енергія, що необхідна для утворення макроергічного зв’язку, генерується у процесі окиснення, тобто руху протонів і електронів по мітохондріальному ланцюгу транспорту електронів. Механізм окисного фосфорилювання міжмембранний цит.с простір КоQ сукцинат НАДНН НАД+ ½ О2+2Н+ фумарат Н2О АДФ+Ф V матрикс хімічний потенціал ΔрН синтез АТФ електрохімічий потенціал ΔµН+ АТФ-синтаза Головні переносники електронів, комплекси I, III, IV, використовуючи енергію електронів, забезпечують перенесення протонів Н+ із матриксу у міжмембранний простір. В результаті змінюється значення рН та виникає протонний електрохімічний потенціал ΔµН+ (хеміосмотична теорія П. Мітчела). Саме цей потенціал є рушійною силою синтезу АТФ із АДФ і Ф. Синтез АТФ поєднаний зі зворотним + потоком протонів Н із міжмембранного простіру у матрикс. Внутрішня мембрана мітохондрій непроникна для цього потоку. Завдяки спеціальній ферментній системі, що називається протонною АТФ-азою або АТФ-синтазою (комплекс V), здійснюється зворотний рух протонів. Після досягнення певної величини ΔµН+ активується АТФаза. В ній відкривається канал, крізь який протони повертаються у матрикс із міжмембранного простіру, а енергія ΔµН+ використовується для синтезу АТФ. 44 Кожний зі трьох комплексів (I, III, IV) забезпечує протонний градієнт, необхідний для активації АТФ-синтази та синтезу 1 молекули АТФ. АДФ + Ф АТ Ф Комплекс I ФМН FeS АДФ + Ф АТ Ф АДФ + Ф Комплекс III Q b FeS c1 АТ Ф Комплекс IV с a a3 О2 Комплекс II НАД+ SH2 (P/O = 3) піруват α-кетоглутарат ізоцитрат малат глутамат лактат ФАД FeS SH2 (P/O=2) сукцинат ацил-КоА гліцерол-3-фосфат Коефіцієнт окисного фосфорилювання P/O – це відношення кількості фосфорної кислоти (Р), котра була використана на фосфорилюваня, у розрахунку на один атом поглинутого кисню (О). P/O залежить від ділянки вхождення у ланцюг транспорту електронів відновних еквівалентів H2 від субстратів SH2, що окиснюються. Субстрати SH2, що окиснюються НАД-залежними дегідрогеназами (піруват, α-кетоглутарат, ізоцитрат, малат, глутамат, лактат), мають більшу енргетичну цінність, тому що при їхньому окисненні утворюються 3 молекули АТФ (P/O = 3). При окисненні субстратів SH2 (сукцинату, ацил-КоА, гліцерол-3-фосфату) ФАДзалежними дегідрогеназами утворюються 2 молекули АТФ (P/O=2). Усі описані процеси перенесення протонів, електронів і синтезу АТФ (тканинного дихання та окисного фосфорилювання) щільно поєднані: вони відбуваються завжди одночасно. Їхня швидкість також змінюється одночасно. Процеси засвоєння їжі та синтезу АТФ повинні визначатися енергетичними потребами клітин, тобто синтез і використання АТФ повинні бути погодженими. При збільшенні в клітині споживання АТФ поідвищується швидкість надходження АДФ в мітохондрії, що означає зростання швидкості синтезу АТФ. Це призводить до збільшення швидкості транспорту протонів: зростає швидкість дихання. Така кореляція, а саме пришвидшення окисного фосфорилювання та дихання при підвищенні концентрації АДФ називається дихальним контролем. Дихальний контроль – це співвідношення АТФ/АДФ: при його зменшенні підвищується інтенсивність дихання. 45 1. Пощкодження мембрани У деяких випадках поєднання фосфорилювання та дихання порушується, в мітохондріях виникає “неконтрольоване” дихання. Це може бути спричинено пошкодженням мембран мітохондрій, а також дією речовин, котрі функціонально 2. Рухомі танспортери роз’єднують окиснення та фосфорилювання – роз’єднувачів. Ці ліпофільні сполуки (2,4-динітрофенол, жирні кислоти) здатні переносити протони крізь норадоеналін мембрану мітохондрій, обминаючи АТФсинтетазу. Це призводить до знищення жирні протонного градієнту. Прикладом жир кислоти природного роз’єднувача є білок термогенін, котрий функціонує як протонний канал у мітохондріях бурої 3. Керований протонний канал жирової тканини. За цих умов коефіцієнт Р/О зменшується, енергія розсіюється у вигляді тепла. термогенін Інгібітори транспорту електронів і окисного фосфорилювання 1. Інгібітори, що блокують а) Ротенон, барбітурати дихальний ланцюг завдяки КоQ цит.b цит.с1 цит.с зв’язуванню з певними НАДН ферментами або коферментами на різних ділянках ланцюгу. В результаті Р/О знижується до в) нуля залежно від ділянки, де діє антиміцин інгібітор: а) ротенон (інсектицид), НАДН барбітурати (снотворні), антибіотик пієрицидін А. КоQ цит.b цит.с1 цит.с с) б) антиміцин (антибіотик). в) CN-, CO, H2S. НАДН КоQ цит.b цит.с1 цит.с цит.аа3 О2 цит.аа3 О2 СN- или СО цит.аа3 О2 2. Інгібітори окисного фосфорилювання: олігоміцин – антибіотик, гальмує функцію АТФ-синтетази (не діє на тканинне дихання). 46 Загальні шляхи катаболізму 1. Окиснювальне декарбоксилювання пірувату Це процес відщеплення СО2 від пірувату та перенесення ацетильного залишку на коензим А з наступним утворенням ацетил-КоА. Процес здійснюється за участю мультиферментого піруватдегідрогеназного комплексу (ПДГ). Комплекс складається з трьох ферментів (Е1 , Е2 , Е3) та п’яти кофакторів: тіамінпірофосфат (ТПФ) простетичні групи щільно зв’язані з апоферментами ліпоєва кислота (ЛК), ФАД ФАД НАД+ коензим А (HS-КоА) Піруват+НАД+ + НSКоА коферменти легко дисоциюють від апоферментів СО2+ацетил-SКоА+НАДН Н+ О Е1 –ТПФ: каталізує відщеплення СО2 від пірувату та перенесення гідроксіетильного залишку на ТПФ. Е2 –ЛК: переносить гідроксіетильний залишок від ТПФ на простетичну групу – ЛК, При цьому дисульфідний зв’язок розривається, а ацетильний залишок і водень приєднуються до ЛК. Далі ацетильный залишок переноситься з ЛК на НSКоА з утворенням ацетил-SКоА, а ЛК відновлюється до дигідро-ЛК. Е3-ФАД каталізує дегідрування дигідро-ЛК, котра знов окиснюється. Атоми водню відновлюють ФАД. На останній стадії атоми водню переносяться на НАД+ з 47 утворенням НАДН Н+. 2. Цикл трикарбонових кислот Цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса, цитратний цикл) – це циклічна послідовність ферментативних реакцій, внаслідок яких ацетил-SКоА, продукт катаболізму білків, ліпідів і вуглеводів, окиснюється до вуглекислого газу СО2 з утворенням атомів водню (Н), що використовуються для відновлення первиннних акцепторів ланцюгу транспорту електронів: НАД+ і ФАД. (С2) (С6) (С4) (С6) СО2 α- (С4) (С5) СО2 (С4) (С4) (С4) Метаболіти та ферменти ЦТК локалізовані у матриксі та внутрішній мембрані мітохондрій. Вони функціонально поєднані з мітохондріальним ланцюгом транспорту електронів. Тому відновні еквіваленти (4 пари атомів водню), що утворюються внаслідок окиснення метаболітів циклу Кребса, завдяки первинним акцепторам + НАДН Н і ФАДН2 передаються у дихальний ланцюг для відновлення атомів кисню О2 з утворенням молекул Н2О. За рахунок окисного фосфорилювання синтезується АТФ. Ацетил-КоА – «активна оцтова кислота» (містить 2 атоми вуглецю С2), утворюється внаслідок окиснювального декарбоксилювання пірувату. В першій реакції вона конденсується з чотирьохвуглецевим оксалоацетатом (С4) з утворенням шестивуглецевого цитрату (С6). Далі від цитрату послідовно відщепляються два атоми вуглецю у вигляді двох молекул СО2,. Внаслідок цього знов регенерується оксалоацетат (С4). Таким чином, сумарне рівняння ЦТК має наступний вигляд: 48 СН3СООН + 2Н2О 2СО2 + 8Н 1 конденсація ∼SКоА НSКоА цитратсинтаза 2а 8 оксалоацетат дегідрування цитрат малатдегідрогеназа дегідратація аконітаза ЦТК малат 7 гідратація цис-аконітат фумараза НАДНН+ аконітаза 2в гідратація ФАДН2 фумарат 6 ізоцитрат ізоцитратдегідрогеназа сукцинатдегідрогеназа 3 декарбоксилювання дегідрування α-кетоглутаратдегідрогеназа сукцинілтіокіназа СО2 сукцинат НSКоА ГТ Ф ∼SКоА ГДФ+Ф сукциніл∼SКоА НSКоА α-кетоглутарат СО2 5 4 субстратне окислительное окисне декарбокси-лирование декарбоксилювання фосфорилювання 49 Енергетичний баланс ЦТК У ЦТК при окисненні однієї молекули «активного ацетату» утворюються відновні коферменти: 3 молекули НАДН+Н+ і 1 молекула ФАДН2. Далі вони окиснюються у дихальному ланцюзі. За рахунок окисного фосфорилювання утворюється по 3 молекули АТФ на кожний НАДН+Н+ і 2 молекули АТФ – на ФАДН2. Таким чином, за рахунок окисного фосфорилювання утворюється 11 молекул АТФ (3х3 + 2х1 = 11). Крім того, у циклі Кребса існує реакція субстратного фосфорилювання, в котрій за рахунок розщеплення макроергічного зв’язку субстрату (сукциніл∼SКоА) утворюється нова макроергічна сполука - ГТФ. Далі ГТФ передає свій фосфат на АДФ для утворення 1 молекули АТФ. Таким чином, при окисненні 1 молекули ацетил-КоА утворюється 12 молекул АТФ (11 + 1 = 12). Регуляція ЦТК піруват піруватдегідрогеназний комплекс АТФ, ацетилКоА, НАДН, жирні кислоти АМФ, НSКоА, НАД+, Са2+ ацетил-КоА АТФ, НАДН, сукциніл-КоА АДФ цитрат синтаза оксалоацетат малат дегідрогеназа ЦТК НАДН малат Найголовнішим чинником регуляції циклу є співвідношення НАДН/НАД+. цитрат ізоцитрат АТФ ізоцитрат дегідрогеназа АДФ, Са2+ α-кетоглутарат α-кето глутаратдегідрогеназа ФАДН2 НАДН, сукциніл-КоА Са2+ сукцинат дегідрогеназа сукциніл∼SКоА інгібування 50 ГТФ активація Тести з теми “Вступ до обміну речовин ” 1. При вивченні дії антибіотику олігоміцину було встановлено, що він впливає на енергетичний метаболізм. Як саме? A. Гальмує функцію АТФ-синтетази B. Інгібує цитохромоксидазу C. Активує ФАД-залежні дегідрогенази D. Активує НАД- залежні дегідрогенази E. Посилює синтез АТФ 2. При окисленні сукцинату транспорт електронів іде за коротким дихальним ланцюгом, тобто комплекс І відсутній. Укажіть вітамін, який входить до складу цього комплексу. A. Вітамін С B. Нікотинамід C. Тіамін D. Піридоксаль E. Фолієва кислота 3. Під час прийому снотворних препаратів - похідних барбітурової кислоти можливі прояви гіпоенергетичного стану. Активність яких ферментів тканинного дихання знижена при цьому? A. Цитохромоксидаза B. НАДН-дегідрогеназа C. Малатдегідрогеназа D. Піруватдегідрогеназа E. Ізоцитратдегідрогеназа 4. При транспорті протонів і електронів у процесі тканинного дихання звільняється енергія. У якому процесі вона використовується? A. Перекисному окисленні B. Субстратному фосфорилюванні C. Окисному фосфорилюванні D. Мікросомальному окисленні 5.Важливими компонентами електронного транспорту в мітохондріях є цитохроми. Який компонент цих білків бере участь в окисно-відновних реакціях? A. Гістидин глобіну B. Гемінове залізо C. Негемінове залізо D. Білковий компонент E. Азот пирольного циклу 51 6. При вивченні дії ціанідів було встановлено, що вони незворотньо інгібують термінальний фермент дихального ланцюга. Який саме? A. АТФ-синтетазу B. Цитохромоксидазу C. ФАД-залежні дегідрогенази D. НАД- залежні дегідрогенази E. НАДН-дегідрогенази 7. При окисленні пірувату, малату, ізоцитрату транспорт електронів іде за довгим дихальним ланцюгом. Чому дорівнює коефіцієнт фосфорилювання для цих субстратів? A. 1 B. 2 C. 3 D. 4 E. 5 8. У ЦТК є реакція, в якій безпосередньо синтезується 1 молекула АТФ. Назвіть її. A. Перекисне окислення B. Субстратне фосфорилювання C. Окисне фосфорилювання D. Мікросомальне окислення 9. Важливими компонентами електронного транспорту в мітохондріях є цитохроми. За якими властивостями вони розташовані у дихальному ланцюзі? A. За молекулярною масою B. За зарядом молекули C. За міцністю зв’язку з ліпідами мембран D. За електрофоретичною рухомістю E. За ростом окисно-відновних потенціалів Еталони відповідей: 1- А; 2 – В; 3 – В; 4 – С; 5 – В. 52 ОБМІН ВУГЛЕВОДІВ ВУГЛЕВОДИ – це альдегідо- та кетопохідні багатоатомних спиртів (альдози та кетози) Функції вуглеводів: енергетична (моносахариди, гомополісахариди); R R структурна (гетерополісахариди); альдоза кетоза вуглеводи входятьдо складу складних білків – глікопротеїнів (ферментів, гормонів, рецепторів, імуноглобулінів); вуглеводи використовуються у синтезі нуклеотидів, нуклеїнових кислот, коферментів. Моносахариди: Дисахариди: Полісахариди: глюкоза мальтоза Крохмаль (амілоза та амілопектин) фруктоза сахароза глікоген галактоза лактоза целюлоза глюкоза галактоза фруктоза Крохмаль – це розгалужений гомополісахарид, складається з мономеру глюкози. Мономери лінійних ділянок (амілози) зв’язані 1,4-глікозидними зв’язками, а в точках розгалуження – 1,6глікозидними зв’язками. 1,6-глікозидний зв’язок Глікоген – це полісахарид, його структура подібна крохмалю, але глікоген більш розгалужений. Він містить більше 1,6-глікозидних зв’язків і більшу кількість кінцевих мономерів, що полегшує його розпад. 1,4-глікозидний зв’язок 53 Головні процеси в обміні вуглеводів 1. Травлення вуглеводів 2. Синтез глікогену - глікогенез 3. Розпад глікогену - глікогеноліз 4. Дихотомічний розпад глюкози – непряме окиснення глюкози при розпаді її молекули на дві тріози: 4.1. Анаеробний гліколіз – окиснення глюкози при відсутності кисню з утворенням 2 молекул лактату та 2 молекул АТФ. 4.2. Аеробний гліколіз – окиснення глюкози при наявності кисню з утворенням 2 молекул пірувату та 8 молекул АТФ. 4.3. Спиртове бродіння – перетворення глюкози в етіловий спирт під дією мікроорганізмів (дріжджів). 5. Глюконеогенез - синтез глюкози з невуглеводів: амінокислот (білків), гліцерину (ліпідів), пірувату, лактату. 6. Апотомічний розпад глюкози - пряме окиснення глюкози – пентозофосфатний шлях окиснення глюкози 7. Взаємоперетворення моносахарів – включення інших гексоз в обмін глюкози Вуглеводи їжі глюкоза фруктоза галактоза глюкозо-6-фосфат глікоген СО2 ліпіди гліцерин 3-фосфогліцеральдегід рибозо5-фосфат білки амінокислоти піруват СО2 СО2 АТ Ф 54 ацетил-SКоА лактат етанол ЦТК дихальний ланцюг Н2О НАДФН+ ліпіди нуклеотиди коферменти ДНК, РНК 1. Травлення вуглеводів Травлення вуглеводів – це гідроліз оліго- та полісахаридів, тобто розщеплення в присутності води глікозидних зв’язків під дією гідролітичних ферментів. Ротова порожнина Травлення вуглеводів починається у ротовій порожнині, в котрій діє α-амілаза слини (рН opt = 6,7). Фермент каталізує гідроліз 1,4-глікозидних зв’язків у молекулі крохмалю. Цей фермент є ендоамілазою, тому що він розщеплює зв’язки, віддалені від кінця ланцюгу. В результаті утворюються олігосахариди (декстрини) та невелика кількість дисахариду мальтози. α-амілаза слини 1,6глікозидаза У шлунку (рН 1,5-2) травлення вуглеводів не відбувається Тонкий кишечник панкреатична α-амілаза У верхньому відділі тонкого кишечника діє панкреатична α-амілаза, котра гідролізує 1,4-глікозидні зв’язкі шляхом послідовного відщеплення молекул мальтози від декстринів. 1,6-глікозидні зв’язкі в декстринах гідролізують 1,6-глікозидази. На дисахариди в кишечнику діють відповідні ферменти (мальтаза, сахараза та лактаза), що розщеплюють дисахариди до моносахаридів: мальтоза сахароза лактоза глюкоза + глюкоза + сахараза глюкоза + фруктоза + лактаза глюкоза + галактоза + мальтаза 55 Перетворення глюкози у тканинах Перша реакція перетворення глюкози у тканинах – ак-тивація глюкози шляхом фосфорилювання за участю АТФ. АТФ АДФ У багатьох тканинах її каталізує гексокіназа, а в клітинах печінки – і глюкокіназа. Глюкокіназа гексокіназа специфічна для глюкози та глюкокіназа при високих глюкоза-6-фосфат працює глюкоза концентраціях субстрату (КM = = 12ммоль/л), а гексокіназа Ця реакція «зачиняє» глюкозу у клітинах, тому фосфорилює різні гексози та що клітинні мембрани непроникні для інгібується глюкозо-6-фосфа-том фосфорильованої глюкози. (КM = 0,1ммоль/л). 2. Синтез глікогену - глікогенез Глікоген – це тваринний гомополісахарид, резервна форма глюкози. Головним чином він депонується у печінці та скелетних м’язах. Глікоген тварин, як і амілопектин рослин, є розгалуженим полімером глюкози, в котрому залишки глюкози з’єднані α (1→4)-глікозидними зв’язками. У точках розгалуження зв’язки знаходяться у положенні α(1→6) приблизно у кожного 10-го залишка глюкози. Розгалужена структура створює велику кількість кінцевих мономерів, що сприяє роботі ферментів, відщеплюючих або приєднуючих глюкозу при синтезі або розпаді глікогену. УТФ ФФ фосфоглюкомутаза глюкоза-6-фосфат УДФ-глюкозопірофосфорилаза глюкозо-1-фосфат УДФ-глюкоза 56 Гранули глікогену Зберігання в організмі вільної глюкози неможливо із-за її високої розчинності: великі концентрації глюкози створюють у клітинах гіпертонічне середови-ще, що сприяє надходженню води. Навпаки, нерозчинний глі-коген є осмотично малоактив-ним і компактним. Подовження ланцюгу лінійних полімерів здійснюється шляхом утворення 1,4-глікозидних зв’язків урацил УДФ-глюкоза глікогенсинтаза олігосахарид-«запал» глікогену (праймер), що містить n молекул глюкози (n>4) УДФ глікоген, що містить ( n+1) молекул глюкози а) подовження ланцюгу глікогенсинтаза б) розгалуження фермент розгалужень Подовження ланцюгу каталізується глікогенсинтазою. У зв’язку з тим, що утворення глікозидних зв’язків між сахарами є ендергонічною реакцією, спочатку утворюється активований попередник УДФ-глюкоза внаслідок реакції глюкозо-1-фосфату з уридинтрифосфатом (УТФ). Лише після цього залишок глюкози легко переноситься з УДФ-глюкози на вже існуючий праймер глікогену. Коли ланцюг досягає довжини більш 11 залишків глюкози, спеціальний фермент розгалужень глікогену (1,4→1,6-глікозил-трансфераза) каталізує перенесення кінцевого олігосахариду, що містить 6-7 залишків глюкози, на 6(ОН) залишок глюкози того ж самого або іншого ланцюгу глікогену з утворенням точки розгалуження [α(1→6)зв’язки]. Далі за допомогою глікогенсинтази цей фрагмент подовжується. 57 3. Розпад глікогену у тканинах Н3РО4 Глікоген ( n молекул глюкози) глікогенфосфорилаза Глікоген печінки ніколи повністю не розпадається. Скорочуються лише невідновлювальні кінці деревоподібної структури глікогену шляхом фосфоролізу, тобто взаємодії з неорганічним фосфатом у місці розривання зв’язку. Глікогенфосфорилаза відщеплює від нерозгалужених ланцюгів глікогену по одному мономеру у вигляді Глюкозо-1-фосфат Глікоген ( (n –1) молекул глюкози) глюкозо-1-фосфату. 1,6-зв’язок Глікогенфосфорилаза каталізує фосфороліз 1,4зв’язків, тобто розщеплення лінійних полімерів. Розрив 1,6-зв’язків каталізує фермент дерозгалужень. Фермент має дві активності: глікоген 1) глікозилтрансферазну активність: він переносить олігосахарид із трьох залишків глікогенглюкоз на кінець нерозгалуженого фосфорилаза ланцюгу, але залишається одна молекула глюкози, зв’язана 1,6- глікозидним зв’язком; 2) 1,6-глікозидазну активністю: гідролізує 1,6молекули глюкозо-1-фосфату зв’язки з утворенням глюкози та лінійного фермент полімеру, на котрий далі діє дерозгалужень глікозилглікогенфосфорилаза. трансферазна активність фермент дерозгалужень 1,6-глікозидазна активність глюкоза Лінійний полімер - субстрат для подальшої дії глікогенфосфорилази. 58 Розпад глікогену в печінці та м’язах відрізняється лише за однією реакцією. В печінці є фермент глюкозо-6-фосфатаза, що каталізує відщеплення фосфату від глюкозо-6-фосфату своєрідного якоря, котрий не випускає глюкозу із клітин. Мобілізація глікогену печінки підтримує сталу концентрацію глюкози в крові. Функція глікогену м’язів – забезпечення м’язів метаболічним паливом. Регуляція глікогенезу та глікогенолізу (синтезу та розраду глікогену) Синтез і розпад глікогену – це два протилежних процеса, котрі ніколи не відбуваються в клітинах одночасно. Регуляція цих метаболічних шляхів здійснюється завдяки змінам активності двох регуляторних ферментів синтезу та розпаду глікогену глікогенсинтази та глікогенфосфорілази за допомогою інсулін Їхнього фосфорилювання та дефосфорилювання. Синтез глікогену активується в період травлення (1-2 години після прийому вуглеводної їжі). За цей час збільшується секреція гормону підшлункової залози інсуліну, котрий активує глікогенсинтазу шляхом її дефосфорилювання. Внаслідок цього глюкоза після всмоктування у кров із кишечника депонується у печінці у вигляді глікогену. глікогенсинтаза неактивна Н2О глікогенфосфорилаза глікогенфосфорилаза активна неактивна АТФ АДФ протеїнкиназа глюкагон адреналін активна Н2О протеїнфосфатаза глюкозо6-фосфат протеїнфосфатаза глікогенсинтаза інсулін глюкагон Розпад (мобілізація) глікогену відбувається, головним чином, у період між прийомами їжі, а також під час фізичної роботи. У постабсорбтивному періоді (при зниженні концентрації глюкози в крові) підсилюється секреція іншого гормону підшлункової залози глюкагону, котрий активує глікогенфосфорилазу шляхом фосфорилювання. За цих умов у печінці відбувається розпад гліконену, і глюкоза потрапляє у кров. Аналогічно у м’язах діє адреналін. У скелетних м’язах розпад глікогену активується при фізичній роботі. Глікогенові хвороби Це спадкові захворювання – ензимопатії, пов’язані з порушеннями активності ферментів синтезу або розпаду глікогену. Глікогенози – хвороби накопичування глікогену, внаслідок яких спостерігаються гіпоглікемія та її наслідки. Наприклад, хвороба Гірке характеризується недостатністю глюкозо-6-фосфатази. Аглікогенози – порушення синтезу глікогену, котрі призводять до зниження його 59 вмісту у тканинах, а також гіпогликемії. 4. Дихотомічний розпад глюкози непряме окиснення глюкози. гліколіз Незалежно від умов, дихотомічний розподіл 6-ти вуглецевої молекули 2 піруват анаеробні умови анаеробні глюкози з наступним утворенням у дріжджях умови двох тривуглецевих молекул аеробні пірувату відбувається однаково. умови 2 етанол +2СО2 2 лактат Далі, в залежності від умов, 2СО2 піруват за різними шляхами може перетворюватися в лактат або в 2 ацетил-КоА ацетил-КоА, або в етиловий спирт (в дріжджях). 4СО2 + Н2О 4.1. Анаеробний гліколіз Анаеробний гліколіз – це ферментативний розпад глюкози до молочної кислоти (лактату) без споживання кисню (схема на наступній сторінці). Усі реакції гліколізу локалізовані у цитозолі. Анаеробний гліколіз відбувається у м’язах у перші хвилини інтесивної роботи, еритроцитах (в них немає мітохондрій), у різних органах при нестачі кисню (гіпоксія), а також у клітинах пухлин. За цих умов гліколіз є єдиним способом отримання енергії для синтезу АТФ із АДФ і Фн. 1 стадія - енергоспоживальна, в котрій глюкоза двічі фосфорилюється (активується) з витратой 2 молекул АТФ і дихотомічно розподіляється на два фосфорильованих С3 фрагменти - фосфотріози: фосфодіоксіацетон и 3-фосфогліцериновий альдегід, які здатні взаємоперетворюватися. Але у другу стадію безпосередньо включається лише 3-фосфогліцериновий альдегід. 2 стадія - енергогенеруюча стадія (гліколітична оксидоредукція), в якій відбувається окиснення (дегідрування) 3-фосфогліцеральдегіду та відновлення НАД+ у НАДН+Н+. Крім того, у другій стадії відбуваються дві реакції субстратного фосфорилювання. В кожній з них утворюється по 2 молекули АТФ у перерахунку на одну молекулу глюкози. Внаслідок дихотомії утворилися дві фосфотріози, кожна з них далі перетворюється в піруват. Таким чином, енергетичний вихід другої стадії складає 4 молекули АТФ. НАДН+Н+, що утворився внаслідок окиснення 3-фосфогліцеринового альдегіду, глюкоза відновлює піруват до лактату. тому що за анаеробних умов він не може окиснюватися у 2НАД+ мітохондріальному дихальному ланцюзі. глюкоза 2НАДНН+ 2 піруват 60 у відсутності О2 2 лактат Під час перетворення глюкози у лактат утворюється 2 молекули АТФ ((2х2)-2=2). Анаеробний гліколіз энергоспоживальна стадія глюкоза 1 АТ Ф гексокіназа глюкозо-6-фосфат Реакції 1-3 Активація глюкози шляхом фосфорилювання Витрачається 2 моля АТФ 2 фруктозо-6-фосфат 3 фосфофруктокіназа Реакція 4 Дихотомія – розподіл 6-вуглецевої молекули нп 2 фосфотріози АТ Ф фруктозо-1,6-дифосфат Реакція 5 Ізомеризація тріозофосфатів 4 5 3-фосфогліцериновий альдегід фосфодіоксіацетон 2 НАД+ 6 Реакция 6 Утворення 2 молей НАДНН+ і макроергічної сполуки Енергогенеруюча стадія (гліколітична оксидоредукція) 2 НАДН Н+ Реакция 11 Відновлення пірувата в лактат (використовується НАДН Н+, що утворився в 6-й реації) (2)1,3-дифосфогліцерат 7 Реакция 7 Субстратне фосфорилювання утворення 2 молей АТФ 2АТ Ф Реакції 8 и 9 Утворення макроергічної сполуки та води (2)3-фосфогліцерат 8 (2)2-фосфогліцерат Реакція 10 Субстратне фосфорилювання утворення 2 молей АТФ 9 (2)фосфоенолпіруват 10 піруваткіназа 2АТ Ф 11 (2) піруват 2 НАДН (2)лактат 2 НАД+ 61 6 – гліцеральдегідфосфатдегідрогеназа 7 – фосфогліцераткіназа 8 – фосфогліцеромутаза 9 – енолаза 10- пируваткіназа 11- лактатдегідрогеназа 2 стадія 1 стадія 1 - гексокіназа 2 - глюкозо-6-фосфат ізомераза 3 – фосфофруктокіназа 4 – альдолаза 5 – тріозофосфатізомераза З одинадцяти реакцій анаеробного гліколізу три реакції незворотні: 1 – гексокіназна; 3 – фосфофруктокіназна; 10 – піруваткіназна. Ферменти, котрі каталізують незворотні реакції, є регуляторними. Від їхньої активності залежить швидкість всього метаболічного процесу. 4. 2. Аеробний гліколіз глюкоза 2НАД+ 2НАДНН+ 2 піруват При наявності кисню ацетил-КоА СО2 ДЛ Аеробний гліколіз – це окиснення глюкози до двох молекул пірувату при наявності кисню. Два моля гліколітичного НАДН +Н+ у аеробних умовах відновлюють кисень у мітохондріальному дихальному ланцюзі (ДЛ) з утворенням води. Водночас із окисненням 2 молекул гліколітичного НАДН+Н+ у ДЛ утворюється 6 молей АТФ (2х3=6) за механізмом окисного фосфорилювання. Враховуючи субстратне фосфорилювання гліколізу (2 АТФ), виграш енергії при перетворенні глюкози в піруват складає 8 молекул АТФ ( схема на наступній сторінці). Н2О Далі піруват у аеробних умовах окиснюється у ацетил-КоА з утворенням 3 молекул АТФ шляхом окисного фосфорилювання. Ацетил-КоА окиснюється у ЦТК із утворенням СО2, Н2О і 12 молекул АТФ. Таким чином, при окисненні пірувату до вуглекислого газу та води утворюється 15 молекул АТФ. Оскільки з глюкози утворюється 2 моля пірувату, то кількість молекул АТФ буде складати 30 (2х15). При окисненні глюкози у аеробних умовах до вуглекислого газу та води утворюється 38 молекул АТФ (30+8 =38). Аеробне окиснення глюкози є значно більше вигідним процесом, тому що глюкоза глюкоза витрачається більш економно (повільно) у порівнянні з анаеробним гліколізом. Тому при переключенні з анаеробного на аеробний шлях зменшується швидкість витрачання глюкози та припиняється накопичення лактату (ефект Пастера). Молекулярний механізм цього ефекту полягає у конкуренції між диханням і гліколізом за АДФ, необхідним для утворення АТФ. 62 Енергоспоживальна стадія Аеробний і анаеробний гліколіз глюкоза Витрачено 2 моля АТФ для активації однієї молекули глюкози АТ Ф 1 2 АТ Ф 3 фруктозо-1,6дифосфат 4 5 3-фосфогліцеральдегід 2 НАДН Н+ 2моля Утворюється 2 моля пірувату та 4 моля АТФ за рахунок субстратного фосфорилювання 1,3-дифосфогліцерат 2АТ Ф 7 3-фосфогліцерат 2моля 8 Н2О 9 2моля фосфоенолпіруват 10 При окисненні 2 молей пірувату до СО2 і Н2О утворюється 30 молей АТФ Утворюється 2 моля НАДН.Н+ У анаеробних умовах НАДНН+ використовується для відновлення пірувату у лактат У аеробних умовах НАДНН+ використовується для відновлення кисню з утворенням води в процесі тканинного дихання. За цих умов утворюється 6 молей АТФ шляхом окисного фосфорилювання. 2 НАД+ 6 Енергогенерируюча стадія фосфодіоксіацетон 2АТФ (2) лактат (2) піруват 2 НАД+ 2 НАДН 2 НАД+ 2 НАДН 2ацетил-SКоА АТ Ф СО2 ЦТК Н2О 63 ГЛІКОЛІЗ І ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ ГЛЮКОЗА 1 IV глюкозо-6-фосфат фруктозо-6-фосфат 3 ліпіди гліцерин фруктозо1,6-дифосфат (2) З-фосфогліцеральдегід 2 НАД+ Специфічні ферменти глюконеогенезу I – піруваткарбоксилаза II – ФЕП-карбоксикіназа III – фруктозо-1,6дифосфатаза IV -- глюкозо-6-фосфатаза III Специфічні ферменти гліколізу 2 НАДН Н+ 1 – гексокіназа 3 – фосфофруктокіназа 10 – піруваткназа (2) 1,3-дифосфогліцерат 2АТ Ф білки м’язів (2) 3- фосфогліцерат 2ГТФ білки м’язів (2) фосфоенолпіруват (ФЕП) 10 амінокислоти 64 амінокислоти (2) піруват (2) лактат II (2) оксалоацетат I 2АТ Ф Цикл Корі глюкоза гліколіз глюкоза кров лактат лактат глюкоза глюконеогенез лактат Глюконеогенез – це процес, протилежний гліколізу, за винятком трьох необоротних реакцій гліколізу, котрі у глюконеогенезі відбуваються за допомогою інших, специфічних для глюконеогенезу ферментів: глюкозо-6фосфатази, фруктозо-1,6-дифосфатази, фосфоенолпіруваткарбоксикінази (ФЕПКК), піруваткарбоксилази, а також різних амінотрансфераз. Глюконеогенез локалізованийпереважно у печінці та нирках. Синтез глюкози з амінокислот і гліцерину активується при голодуванні під дією гормонів глюкокортикоїдов. При фізичному навантаженні у м’язах внаслідок анаеробного гліколізу утворюється лактат, котрий потрапляє в кров і далі у печінку, в котрій він перетворюється в глюкозу шляхом глюконеогенезу. Це глюкозо-лактатний цикл або цикл Корі. Регуляторні ферменти гліколізу: гексокіназа фруктозо6-фосфат глюкозо6-фосфат цитрат фосфофруктокіназа АМФ піруваткіназа АТФ АТФ ацетил-КоА Регуляторні ферменті глюконеогенезу: ацетилSКоА АТФ глюкагон адреналін глюкокортикоїди піруваткарбоксилаза фруктозо-1,6дифосфатаза глюкозо-6фосфатаза ФЕПкарбоксикіназа АМФ Напрямок метаболізму глюкози у печінці пов’язаний із ритмом харчування. Регуляція протилежно спрямованих процесів гліколізу та глюконеогене-зу – здійснюється на рівні їхніх необоротних реакцій. Синтез і розпад глюкози, як і глікогену, водночас не відбуваються. Якщо клітинам потрібна енергія у вигліді АТФ, то активується гліколіз. Під час голодування печінка є джерелом глюкози завдяки глюконеогенезу. інсулін 65 4.3. Спиртове бродіння глюкоза Спиртове бродіння – це перетворення глюкози в етиловий спирт під дією ферментів дріжджів. Спочатку глюкоза поступово розпадається гліколітичним шляхом до двох молекул пірувату. Але, на відміну від анаеробного гліколізу, далі відбувається декарбоксилювання пірувату з утворенням оцтового альдегіду (ацетальдегіду). За допомогою алкогольдегідрогенази ацетальдегід відновлюється у етанол. НАД+ НАДНН+ ТПФ піруватдекарбоксилаза піруват алкогольдегідрогеназа ацетальдегід етанол Метаболізм етилового спирту В організмі людини метаболізм етилового спирту включає окиснення до оцтової кислоти, котра перетворюється в ацетил-КоА. Далі він вступає у ЦТК: НАД+ етанол НАДН Н+ алкогольдегідрогеназа НАД+ ацетальдегід НАДН Н+ ОН ацетальдегіддегидрогеназа ацетат Метаболізм етанолу локалізований головним чином у печінці (до 90%). Обмін етилового спирту відбувається швидко. Це призводить до різкого зменшення співвідношення НАД+/НАДН+ при вживанні великої кількості алкоголю. Внаслідок цього оборотна лактатдегідрогеназна реакція буде спрямована у напрямку утворення лактату: НАД+ НАДНН+ піруват лактатдегідрогеназа ацетил-КоА АТ Ф СО2 Н2О лактат За цих умов концентрація лактату в клітинах і крові зростає, а пірувату – зменшується. Це призводить до інгібування глюконеогенезу в печінці, тому що піруват є попередником у синтезі глюкози. При зменшенні запасів глікогену у печінці та м’язах (після фізичної роботи, вживання алкоголю натще) може виникнути гіпоглікемія навіть з втратою свідомості. Зниження використання лактату як субстрату глюконеогенезу призводить до лактатацидозу – зменшенню рН крові. 66 6. Апотомічний розпад глюкози – пряме окиснення глюкози - пентозофосфатний шлях Крім гліколізу, існує альтернативний метаболічний процес окиснення глюкози. Це процес прямого окиснення глюкози – пентозофосфатний шлях (ПФШ), котрий не пов’язаний безпосередньо з дихальним ланцюгом перенесення електронів та окисним фосфорилюванням. В ньому утворюється інший тип носіїв метаболічної енергії відновлені коферменти НАДФН+Н+. Вони містять атоми водню окисненої глюкози, котрі далі використовуються у відновних синтезах ліпідів, біохімічно важливого трипептиду глутатіону та інших сполук. Друга функція ПФШ – утворення фосфопентоз, необхідних для синтезу нуклеотидів. Процес складається з двох стадій: 1 стадія – окисна, в ході якої глюкоза у активній формі (глюкозо-6-фосфат) безпосередньо (прямо) окиснюється, а далі декарбоксилюється (апотомія – відщеплення верхівки (apex) - одного атому вуглуцю у вигляді вуглекислого газу з утворенням фосфопентоз и НАДФН+Н+. 2 стадія – неокисна (стадія ізомерних перетворень), під час котрих фосфорибози (6 молекул) знов перетворюються у вихідний глюкозо-6-фосфат (5 молекул). неокисна стадія окисна стадія глюкозо-6-фосфат НАДФ+ глутатіон відновлений глутатіонредуктаза НАДФН+ транскетолаза трансальдолаза 6-фосфоглюконат жирні кислоти, холестерин НАДФ+ СО 2 рибулозо-5-фосфат глутатіон окиснений НАДФН+ відновні біосинтези попередники рибозо-5-фосфат нуклеотиди, коферменти ДНК, РНК 67 1. Окисна стадія Н СО Н 2. Неокисна стадія (взаємоперетворення фосфопентоз) глюкозо6-фосфат глюкозо-6-фосфатдегідрогеназа 6 молекул рибулозо-5-фосфату Р НАДФ+ НАДФН+Н+ 2 С5 рибозо5-фосфат 2 С5 ксилулозо5-фосфат 2С5 ксилулозо5-фосфат транскетолаза 6-фосфоглюконолактон 2 С7 седогептулозо7-фосфат Р 2С3 гліцеральдегід3-фосфат трансальдолаза лактоназа 2С6 «apex» фруктозо6-фосфат 2С4 еритрозо4-фосфат 6-фосфо- Н ОСН глюконат 6-фосфоглюконатдегідрогеназа 2С6 Р НАДФ+ НАДФН+Н+ апотомія рибулозо-5фосфат фосфопентоізомераза фруктозо6-фосфат 2 молекули глюкозо6-фосфату 2 молекули глюкозо6-фосфату транскетолаза 2С3 гліцеральдегід3-фосфат 1 молекула глюкозо6-фосфату Сумарне рівняння пентозофосфатного циклу: Р 6 глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ+ + 7Н2О 1 і 2 стадії рибозо-5фосфат 68 5 глюкозо-6-фосфат + 12 Р НАДФН+Н+ + 6 СО2 + Р Функція неокисної стадії полягає в тому, щоб продукція пентозофосфатів відповідала метаболічним потребам клітин. Частіше всього потреба у НАДФН++Н+ набагато більше, ніж у пентозофосфатах. За допомогою пентозофосфатного шляху надлишок пентоз, що перевищує потреби клітин, може бути повернений у фонд гексоз. Жировій тканині необхідна велика кількість відновних еквівалентів (НАДФН+Н+) для синтезу ліпідів, а потреба у фосфопентозах невелика. Тому в жировій тканині активно відбуваються обидві стадії, тобто процес має циклічний характер, і він називається пентозофосфатним циклом. У деяких органах (печінці, наднирниках, статевих залозах, молочній залозі у період лактації) активно використовуються фосфопентози для синтезу нуклеїнових кислот. У цьому випадку друга стадія може не відбуватися, і тоді реалізується пентозофосфатний шлях. Якщо нарівні з НАДФН+Н+ клітини потребують енергію у вигляді АТФ, то продукти неокисної стадії ПФШ (фруктозо-6-фосфат і 3-фосфогліцериновий альдегід) включаються у гліколіз і далі - у ЦТК і дихальний ланцюг з утворенням вуглекислого газу та води. Таким чином, завдяки спільним метаболітам, - фруктозо-6-фосфату та 3фосфогліцериновому альдегіду, - стає можливим переключення ПФШ на гліколіз у відповідності з метаболічними потребами клітин. У цьому випадку ПФШ має назву пентозофосфатного шунту. ПФШ активно функціонує в еритроцитах. Біологічна роль цього процесу для еритроцитів полягає в тому, що НАДФН+Н+ використовується в цих клітинах для протидії пероксидному окисненню ненасичених жирних кислот фосфоліпідів мембран еритроцитів, тобто попереджує гемоліз еритроцитів. При спадковому дефекті пускового ферменту ПФШ – глюкозо-6-фосфатдегідрогенази спостерігається схильність еритроцитів до гемолізу, особливо при лікуванні деякими лікарськими засобами (сульфаніламідів, аспірину, примахіну протималярийного препарату). 69 7. Взаємоперетворення моносахаридів –включення інших гексоз у обмін глюкози мальтоза лактоза лактаза мальтаза глікоген галактоза галактокіназа фофорилаза сахароза АТФ глюкоза сахараза гексокіназа фруктокіназа АТФ гексокіназа фруктозо-1-фосфат фруктозо-1-фосфатальдолаза гліцеральдегід + фосфодіоксіацетон АТФ тріозокіназа Порушення обміну фруктози глюкозо1-фосфат галактозо1-фосфат УДФ-глюкоза АТФ фруктоза галактозо-1-фосфатуридилтрансфераза АТФ глюкозо6-фосфат УДФ-галактоза фруктозо6-фосфат фруктозо1,6-дифосфат 3-фосфогліцеральдегід Спадкові ензимопатії Непереносимість фруктози – дефект ферменту фруктозо-1-фосфатальдолази, при цьому накопичується фруктозо-1-фос-фат, котрий гальмує розпад глікогену. В результаті виникають фруктоземія, фруктозурія та гіпоглікемія. Есенціальна фруктоземія – дефект ферменту фруктокінази, що супроводжується підвищенням вмісту фруктози у сечі. Клінічних проявів ця 70 ензимопатія не має. піруват СО2 + Н2О Порушення обміну галактози Галактоземія – дефект ферменту галактозо-1-фосфат-уридилтрансферази, внаслідок якого у крові та внутрішніх органах накопичуються галактоза і галактозо-1-фосфат. Клінічні прояви: помутніння кришталику (катаракта), збільшення печінки, затримка розумового розвитку. Ензимопатія з’являється у ранньому віці при споживанні молока. Тести з теми “Вуглеводи” 1. У регуляції активності ферментів важливе місце належить їхній постсинтетичній ковалентній модифікації. Яким із зазначених механізмів здійснюється регуляція активності глікогенфосфорилази і глікогенсинтетази? A. Фосфорилювання-дефосфорилювання B. Метилювання C. Аденілювання D. Обмежений протеоліз E. АДФ-рибозилювання 2. Через деякий час після інтенсивного фізичного тренування у спортсмена активується глюконеогенез, основним субстратом якого є: A. Аспарагінова кислота B. Лактат C. Глутамінова кислота D. Альфа-кетоглутарат E. Серін 3. У новонародженої дитини після годування молоком спостерігалися диспептичні розлади (диспепсія, блювота). При годуванні розчином глюкози ці явища зникали. Вкажіть фермент, що бере участь в перетравленні вуглеводів, недостатня активність якого приводить до вказаних розладів. A. Мальтаза B. Амілаза. C. Сахараза. D. Ізомальтаза. E. Лактаза 4. Під час бігу на коротку дистанцію у нетренованих людей спостерігається м’язова біль внаслідок накопичення лактату. Вкажіть, з посиленням якого біохімічного процесу це може бути пов’язано. A. Гліколізу. B. Глюконеогенезу. C. Пентозофосфатного шляху. D. Травлення вуглеводів. E. Глікогенезу. 5. Яка речовина є основним джерелом енергії для мозкової тканини? A. Глюкоза B. Жирні кислоти C. Ацетонові тіла D. Амінокислоти E. Молочна кислота Еталони відповідей: 71 1- А; 2 – В; 3 – Е; 4 – В; 5 – А. 6. При голодуванні нормальний рівень гюкози у крові підтримувається за рахунок глюконеогенезу. Яка речовина є основним джерелом глюкози при цьому? A. Стеаринова кислота B. Гліцерин C. Фруктоза D. Аланін E. Молочна кислота 7. Після фізичного навантаження лактат виходить із м язів і перетворюється у печінці на глюкозу. Назвіть цей процес. A. Гліколіз B. Цикл Кребса C. Цикл Корі D. Гліоксилатний цикл E. Глікогеноліз 8. Відомо, що в еритроцитах активно функціонує пентозо-фосфатний шлях. Яка головна функція цього метаболічного шляху у еритроцитах? A. Протидія перекисному окисленню ліпідів B. Генерація енергіі C. Знешкодження ксенобіотиків D. Окислення глюкози до лактата E. Посилення перекисного окислення ліпідів 9. При перетворенні глюкози в пентозному циклі утворюються фосфати різних моносахаридів. Яка з цих речовин може бути використана для синтезу нуклеїнових кислот? A. Еритрозо-4-фосфат B. Рибулоза-5-фосфат C. Рибоза- 5-фосфат D. Седогептулозо-7-фосфат E. Єксилулозо-5-фосфат 10. Відомо, що при аеробному і при анаеробному гліколізі утворюється загальний метаболіт. Назвіть цю сполуку: А. Лактат В. Пируват С. Фумарат Д. Малат Е. Оксалоацетат 72 11. У хворої дитини судоми, блювання, втрата свідомості. Аналіз крові натще показал гіпоглікемію. Передбачуваний діагноз – хвороба Кори. Порушення активності якого ферменту веде до цієї хвороби? A. Глікргенсинтази B. Глікогенфосфорилази C. 1,4-глікозидази D. Аміло-1,6-глікозидази E. Глюкозо-6-фосфатази 12. При анаеробному гліколізі утворбється декілька багатоергічних сполук. Виберіть одну з них : A. 2-фосфоглицерат B. 3-фосфоглицерат C. 1,3-діфосфогліцерат D. Пируват E. Лактат 13. Останню реакцію анаеробного гліколіза каталізує лактатдегідрогеназа. Який кофермент входить до складу цього ферменту? A. ФАД B. ФМН C. НАД+ D. ТПФ E. ПАЛФ 14. Під час інтенсивної м язової роботи активується фосфороліз глікогену у печінці, внаслідок чого підвищується рівень глюкози у крові. Який гормон активує цей процес? A. Інсулін B. Глюкагон C. Кортизол D. Адреналін E. Тестостерон 15. Під час інтенсивної м язової роботи енергетичні потреби скелетних м язів дуже зростають. Який гормон забеспечує мобілізацію глікогену у м язах? A. Інсулін B. Глюкагон C. Кортизол D. Адреналін E. Тестостерон 73 16. Пентозо-фосфатного шлях постачає НАДФН для відновлюючих синтезів ліпідів. До складу якого ферменту цього метаболічного шляху входить НАДФН? А. Транскетолаза В. Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа С. Трансальдолаза Д. Лактоназа Е. Пентозофосфатизомераза 17. Пентозофосфатний цикл в залежності від умов може переключатися на гліколіз завдяки спільним метаболітам. Назвіть такий метаболіт. A. 6-фосфоглюконат B. Фруктозо-6-фосфат C. Ксилулозо-5-фосфат D. Рибулозо-5-фосфат E. 6-фосфоглюколактон 18. Відомо, що під час синтезу гликогена гілки у його молекулі утворюються під дією ферменту розголуження глікогену. Який зв язок утворює цей фермент? А. α –1,6-глікозидний В. β–1,6-глікозидний С. α–1,4-глікозидний Д. β–1,4-глікозидний Е. α –4-6-глікозидний 19. Людина раптово виконує важку фізичну роботу. Який процес метаболізму вуглеводів активується при цьому? А. Анаеробный гліколіз В. Аеробний гліколіз С. Глюконеогенез Д. Глікогеноліз Е. Глюкогенез 20. Після інтенсивної фізичної роботи у печінці активується глюконеогенез. Яка сполука, що утворбється у м язах, є субстратом цього процесу? А. Цитрат В. Фумарат С. Фруктозо-1,6-фосфодиоксиацетон Д. Лактат Е. Фосфоенолпируват 74 ОБМІН ЛІПІДІВ Ліпіди – це різноманітні за структурою органічні сполуки, що мають загальну властивість - гідрофобність. Основні класи ліпідів 1. Нейтральні жири – триацилгліцериди (ТАГ) – насичений ацил ненасичений ацил насичений ацил ТАГ – найбільш компактна та енерговмісна форма зберігання енергії. Це гідрофобні сполуки. Завдяки цій властивості вони утворюють структури, ізольовані від води (краплі жиру). 2. Гліцерофосфоліпіди– амфіфільні сполуки. Це дозволяє їм утворювати бішарові структури мембран. гідрофобні «хвости» ефіри гліцерину та вищих жирних кислот (ВЖК): RСООН Вищі жирні кислоти входять до складу більшості ліпідів людини. Поряд із глюкозою вони є важливими «паливними молекулами» - джерелами енергії. Це можливо завдяки великої кількості атомів водню у їхньому складі. Наприклад, насичені жирні кислоти: С15Н31СООН пальмітинова С17Н35СООН стеаринова Ненасичені жирні кислоти: С17Н33СООН олеїнова С17Н31СООН лінолева С17Н29СООН ліноленова С19Н31СООН арахідонова етаноламін гідрофільна «голова» Х холін серин Вільні жирні кислоти – це амфіфільні сполуки. Вони мають гідрофільну, тобто заряджену, «голову» та гідрофобний, тобто незаряджений «хвіст»: гідрофільна «голова» 3. Стероїди –амфіфільні сполуки: холестерин; стероїдні гормони; жовчні кислоти вітамін D. гідрофільна частина гідрофобний «хвіст» гідрофобна частина насичена ВЖК ненасичена ВЖК 75 Травлення нейтральних жирів– це поступовий гідроліз триацилгліцеридів за допомогою панкреатичної ліпази (ліполіз). триацилгліцерид діацилгліцерид Умови травлення: моноацилгліцерид попередньо емульгований жир; активна панкреатична ліпаза ( рН 7,5 - 8); панкреатичний білок коліпаза; наявнясть амфіфільних жовчних кислот жири їжі холева кислота шлунок гідрофільна частина жовчна кислота гліцерин солі жовчний жовчних кислот міхур панкреатичні ліпаза та коліпаза гідрофобна частина дванадцатипала кишка вода міцела ТАГ жовчні кислоти підшлункова залоза тонка кишка Жовчні кислоти ОН синтезуються у печінці 12 з холестерину, кон’ютаурохолева гують с гліцином або (парна жовчна кислота) 7 таурином із утворен- НО 3 ОН ням кон’югатів (парных Жовчні кислоти заміщення у: жовчних кислот), котрі С-3 С-7 С-12 у складі жовчі потрапляють в жовчний холева міхур, а далі - у хенодезоксихолева -Н тонку кишку. 76 дезоксихолева -Н Функції жовчних кислот: емульгують жири; активують ліпазу; приймають участь у всмоктуванні продуктів ліполізу Етапм травлення, всмоктування та транспорту ТАГ Харчові жири жовчний міхур жовчні кислоти 10. ВЖК у клітинах, наприклад, міоцитах, окиснюються до кінцевих продуктів з утворенням АТФ або, як у адипоцитах, запасаються завдяки включенню у синтез ТАГ. шлунок рН 1,5-2 несприятливі умови для перетравлення ліпідів тонка кишка 1. Солі жовчних кислот емульгують харчові жири у тонкому кишечнику з утворенням змішаних міцел. 2. Панкреатична ліпаза (та коліпаза) розщеплює ТАГ до ВЖК і МАГ (гидроліз до гіицерину відбувається у незначній мірі ). 11. Частина ВЖК надходить до крові, зв’язується з альбумінами та транспортується у такому вигляді. 5. 90% жовчних кислот всмоктуються з кишечника у кров, далі потрапляють у печінку, де знов використовуються для утворення жовчі (ентерогепатична циркуляція – 7-8 обертів на добу). ВЖК 9.Частина ВЖК надходить до клітин жирової тканини, міокарда, скелетних м’язів, молочних залоз. ліпопротеїнліпаза 8. ЛП-ліпаза, що активується апоС II, розщеплює на поверхні ендотелію капилярів жирової тканини ТАГ, що містяться у хіломікронах, на ВЖК і гліцерин. капіляр АпоСII 7. Хіломікрони переносять харчові ТАГ по лімфатичним судинам і крові до тканин і органів ( жирової тканини, скелетних м’язів, міокарда, тощо). хіломікрон ВЖК 4. У слизовій оболонці кишечника міцела розпадається, а із МАГ і жирних кислот відбувається ресинтез специфічних для людини ТАГ. міоцит або адипоцит АТФ стінка кишечника 3. ВЖК і МАГ всмоктуються у стінку кишечника у вигляді міцел із амфіфільними жовчними кислотами, фосфоліпідами та холестерином. ТАГ ТАГ 6. У епітелії слизової оболонки кишечника ТАГ, фосфоліпіди, холестерин і апопротеїни «упаковуються» в хіломікрони – ліпопротеїни, що транспортують екзогенні жири з кишечника до тканин. 77 Травлення гліцерофосфоліпідів Гліцерофосфоліпіди (ФЛ) перетравлюються за допомогою фосфоліпаз, котрі гідролізують ефірні зв’язки у молекулах гліцерофосфоліпідів, наприклад, фосфатидилінозитолдифосфатів). Продукти травлення фосфоліпідів: фосфоліпаза А1 R1СООН - насичена жирна кислота R2СООН - ненасичена жирна кислота фосфоліпаза А2 фосфоліпаза С фосфорна кислота фосфатидилінозитолдифосфат фосфоліпаза D гліцерин Н інозитолдифосфат (ИФ2) Панкреатична фосфоліпаза А2 надходить до тонкої кишки у неактивній формі та активується тріпсином шляхом часткового протеолізу. Внаслідок її дії утворюються токсичні лізофосфоліпіди, котрі не накопичуються, тому що майже водночас на фосфоліпіди діють кишечні фосфоліпази А1, С і D. Травлення ефірів холестерину RСООН + Н2О холестеролестераза ефір холестерину (ЕХС) холестерин (ХС) Ефіри ходестерину, котрі надходять у складі продуктів тваринного походження, (рослинні стероїди не засвоюються), гідролізуються кишечною або панкреатичною холестеролестеразою до вільних жирних кислот и холестерину. При порушенні травлення та всмоктування ліпідів нерозщеплені ліпіди виводяться із організму із калом. Це називається стеатореєю або жировим стулом. 78 Ресинтез специфічних жирів у стінці кишечника МАГ, котрі надійшли у стінку кишечника, можуть перетворюватися за двома шляхами: - ліполіз до гліцерину та ВЖК; - ресинтез власних специфічних ТАГ за участю 2 молекул ацил-КоА: моноацилгліцерин діацилгліцерин триацилгліцерин Транспортні форми екзоненних ліпідів – хіломікрони Хіломікрони - це основна молекулярна форма, у вигляді апопротеїни якої ресинтезовані ТАГ проходять крізь латеральну мембрану ентероцитів і проникають у лімфатичні судини, а далі – у лімфатичну протоку і кров. По крові харчові жири транспортуються хіломікронами у тканини. Хіломікроні – це найбільш великі ліпопротеїнові частинки: діаметр 100-1000 нм. Вони складаються з ліпідів і білків, утворюються у слизовій оболонці кишечника. Хіломікрони переважно містять гідрофобні ТАГ (до 90%), котрі локалізовані у ядрі цієї частинки фосфопоруч із гідрофобними ефірами холестерину. До ліпіди холестерин складу хіломікронів входить невелика кількість триацлгліцериди амфіфільних фосфоліпідів, вільного холестерину та і ефіри холестерину білку, котрі разом утворюють амфіфільну оболонку. Основною функцією хіломікронів є перенесення з током крові харчових ТАГ із кишечника, де вони всмоктуються, у тканини. Концентрація хіломікронів у плазмі крові досягає максимальної на 3 - 6 годину після приймання жирної їжі, а потім вона поступово зменшується. Швидкість елімінації цих частинок із плазми достатньо велика. У здорових людей, які голодували протягом 12 годин, хіломікрони не визначаються. Це відбувається завдяки дії ліпопротеїнліпази – фермента, котрий міститься на поверхні ендотелію капілярів тканин і органів (жирової тканини, скелетних м’язів, міокарда). Цей фермент «впізнає» хіломікрони завдяки взаємодії з апопротеїном апоС-II, який функціонує як його активатор. Ліпопротеїнліпаза капілярів гідролізує нейтральні жири (ТАГ) у складі хіломікронів до гліцерину та ВЖК. В результаті реакції утворюються залишкові (ремнантні) хіломікрони, які потім 79 потрапляють у печінку, в котрій вони остаточно розщеплюються. Катаболізм триацилгліцеридів ТАГ у складі ХМ ТАГ у складі ЛПДНЩ жирова тканина (депо ТАГ) ВЖК + альбуміни м’язи печінка серце СО2 АТФ Н2О ТАГ надходять в організм людини з їжею. Після перетравлення, всмоктування та біохімічних перетворювань у ентероцитах, крові та печінці ТАГ депонуються в адипоцитах – клітинах жирової тканини. В значно меншій кількості ТАГ містяться у клітинах інших органах, наприклад, печінки. Накопичення резервів ТАГ є найбільш ефективним механізмом акумуляції метаболічної енергії. Завдяки великій насиченості атомами водню при окисненні ТАГ утворюється набагато більша кількість енергії у порівнянні з вуглеводами та білками. гормон Внутрішньоклітинний ліполіз (адреналін, глюкагон) ТАГ можуть здійснювати свою енергетичну функцію лише після попереднього гідролітичного розщеплення на гліцерин і жирні кислоти шляхом внутрішньоклітинного активна ліполізу. Цей процес мобілізації жирних кислот із аденілатциклаза жирової тканини відбувається під дією тканинних ліпаз АТФ (Е1, Е2, Е3), з котрих Е1 - ТАГ-ліпаза – гормонзалежний фермент, тобто його активність регулюється деякими гормонами. Наприклад, вона активується адреналіном цАМФ (при стресі), глюкагоном (при голодуванні), гальмується неактивна Контроль активності ТАГ-ліпази інсуліном. протеїнкіназа здійснюється за каскадним механізмом активна гормональної регуляції функцій клітин. протеїнкіназа Безпосередньо ТАГ-ліпаза активується АТФ шляхом фосфорилювання. ВЖК, що неактивна утворилися, далі окиснюються у багатьох тригліцеридліпаза тканинах і органах (міокарді, скелетних Е м’язах, печінці) , крім мозку. 1 активна неактивна аденілатциклаза тригліцеридліпаза ТАГ 80 ДАГ ВЖК Е2 ВЖК МАГ Е3 ВЖК гліцерин Окиснення гліцерину АТФ АДФ гліцерин гліцеролкіназа НАД+ НАДН фосфогліцеролфосфогліцерол дегідрогеназа P P P фосфодіоксіацетон 2 Гліцерин активується шляхом фосфорилювання (витрачається 1 АТФ). Фосфогліцерол, що утворився, далі дегідрується з утворенням НАДН, котрий окиснюється у мітохондріальному дихальному ланцюзі. Окиснення НАДН поєднано з синтезом 3 АТФ. Фосфодіоксіацетон, метаболіт гліколізу, перетворюється у 3-фосфогліцеральдегід, котрий окиснюється у другій стадії гліколізу до пірувату. На даному етапі утворюється 3 АТФ за рахунок окисного фосфорилювання і 2 АТФ – шляхом субстратного фосфорилювання. У аеробних умовах піруват окиснюється до ацетил-КоА з утворенням 3 АТФ. Ацетил-КоА «згорає» в ЦТК до СО2 і Н2О з утворенням 12 АТФ. Таким чином, при окисненні гліцерину до кінцевих продуктів утворюється 22 АТФ. 3-фосфогліцеральдегид 20 піруват ацетил-SКоА ЦТ К Н2О СО2 Окиснення вищих жирних кислот АТФ 1. Активація ВЖК у цитозолі клітин: RCOOH + HSKoA АМФ + ФФ ацил-КоА-синтетаза R-CO- SKoA 2. Перенесення ацил- КоА із цитозоля в матрикс мітохондрій за допомогою карнітину: Окиснення ВЖК відбувається у мітохондріях, але внутрішня мембрана мітохондрій непроникна для ацил-КоА, тому ацил переноситься карнітином, котрий працює за човниковим принципом. карнітин карнітін міжмембранний простір карнітін карнітін карнітін карнітін карнітін 81 β-окиснення вищих жирних кислот Мітохондріальне окиснення вищих жирних кислот (ВЖК) відбувається у три стадії. У 1 стадії (β-окиснення) ВЖК окиснюється з відщепленням двовуглецевого фрагменту у вигляді ацетил-SКоА, починаючи від карбоксильного кінця ацилу, що окиснюється. Наприклад, при окисненні пальмітинової кислоти (n=16) S-КоА утворюється n/2=8 молекул ацетилпальмітоїл- S-КоА SКоА, котрі включаються у 2 ФАД стадію окиснення ВЖК - цикл ацил-SКоА2АТФ 1 дегідрогеназа Кребса. На цій стадії ацетильні ФАДН2 в ЦПЭ групи окиснюються до СО2 і постачають атоми водню у S-КоА еноїл- S-КоА дихальний ланцюг. 2 β-оксіацил-SКоАдегідрогеназа 3 4 Стадія 1 еноїл-SКоАгідратаза кількість циклів β-окиснення S-КоА (n/2-1)=7 β-оксіацил- S-КоА в ЦПЭ 3АТФ S-КоА НАДН, ФАДН2 Стадія 3 ацетил -SКоА Ці чотири послідовні реакції (цикл β-окиснення) повторюються стільки разів, поки вся жирна кислота з парною кількістю атомів вуглецю (n), не перетвориться в n/2 молекул ацетил-SКоА: С14 С12 С10 С8 С6 С4 ЦТК S-КоА β-кетоацилНS-КоА S-КоА ацил-S-КоА 8 ацетил-SКоА НАД+ НАДНН+ тіолаза β-окиснення Стадія 2 ланцюг перенесення електронів АДФ+Ф АТФ У 3 стадії атоми водню від НАДН2 і ФАДН2 надходять у дихальний ланцюг і відновлюють кисень з утворенням води (жири – джерела ендогенної води). Енергія окиснення ВЖК конвертується у молекули АТФ. При окисненні 8 молекул ацетил-КоА утворюється 8х12=96 молекул АТФ. Відбувається 7 циклів окиснення пальмітинової кислоти. В кожному з них утворюються по 5 молекул АТФ за рахунок окиснення НАДН и ФАДН2), тобто 7х5=35 молекул АТФ. Сумарно: 141-1* = 140 АТФ. (* 1 молекула АТФ витрачена на активацію ВЖК). 82 Синтез кетонових тіл ліпідна крапля SКоА SКоА 2 ацетил-SКоА тіолаза SКоА β-окси-β-метилглутарил-SКоА(ОМГ- SКоА) ОМГ- SКоАліаза ацетоацетат і βгідроксибутират експортуються у якості джерел енергії для скелетних м’язів, серця, мозку. кетонові тіла НSКоА SКоА ацетоацетил-SКоА ацетил-SКоА ОМГ- SКоАсинтетаза НSКоА Метаболізм кетонових тіл НSКоА ВЖК ацетил-SКоА оксалоацетат ЦТК глюкоза експортується у якості пального для мозку та інших тканин глюкоза гепатоцит ацетил-SКоА Утилізація кетонових тіл ацетоацетат β-оксибутират дегідрогеназа НАДН НАД+ β-оксибутират β-оксибутират дегідрогеназа НАДН НАД+ ацетоацетат ацетон β-оксибутират сукциніл- SКоА β-кетоацилКоА трансфераза сукцинат кетоновые кетоновые кетонові тіла тела тела SКоА Кетонові тіла синтезуются тількі у печінці ацетоацетил-SКоА НSКоА тіолаза (перша реакція – у цитозолі, інші – у мітохондріях гепатоцитів), але вони ніколи не використовуються у печінці. Кетонові тіла дифундують у кров і використовуються як альтернативне метаболічне паливо SКоА SКоА для позапечінкових органів і тканин: міокарда, 2 ацетил-SКоА скелетних м’язів, коркового шару наднирників та за умов голодування - для мозку. У нормі концентрація кетонових тіл у крову невелика (10-20 мг/ ЦТ л), але вона суттєво підвищується при голодуванні та К СО2 цукровому діабеті. Це призводить до кетонемії, кетоацидозу та АТФ кетонурії. 83 НО 2 Синтез холестерину ВЖК біомембрани стероїдні гормони глюкоза вітамін D3 тіолаза ПФШ жовчні кислоти холестерин НАДФН+ ланостерин НАДФН+ сквален 2(НАДФН+Н+) 2НАДФ+ ОМГ- SКоА- редуктаза β-окси- β-метилглутарил-SКоА (ОМГ- SКоА) ізопентенілдифосфат Н2ОН мевалонова кислота Синтез ендогенного холестерину переважно відбувається у печінці (50-80%), кишечнику (10-15%), а також у шкірі (до 5%), корі наднирників і репродуктивних органах. Біосинтез холестерину починається з ацетил-КоА. Вуглецевий скелет С27стерину будується з С2- ланок у результаті складної послідовності реакцій. Біосинтез холестерину складається з чотирьох етапів. На першому етапі з трьох молекул ацетил-КоА утворюється мевалонат (С6). Перші реакції повністю співпадають із синтезом кетонових тіл до ОМГ-SКоА, але вони локалізовані у цитозолі гепатоцитів. Далі ОМГ-SКоА відновлюється до мевалонової кислоти. Регуляторний фермент цього синтезу - ОМГ-SКоА-редуктаза, коферментом котрого є НАДФН+Н+ (головне джерело НАДФН+Н+ - пентозофосфатний шлях окиснення глюкози). Активність цього ферменту інгібується холестерином і ЛПНЩ за принципом негативного зворотного зв’язку. Кім того, цей фермент також інгібується шляхом фосфорилювання (активна його дефосфорильована форма). На другому етапі мевалонат перетворюється у «активний ізопрен» ізопентенілдифосфат. На третьому етапі шість молекул ізопрену полімеризуються з утворенням сквалену (С30). На четвертому етапі сквален циклізується у ланостерин (С30), від котрого відщеплюються три метильні групи та утворюється холестерин (С27). На схемі 84 показани найбільш важливі проміжні продукти цього біосинтезу. Надходження з їжею (екзогенний холестерин) 0,3-0,5 г на добу структура мембран і ліпопротеїнів синтез жовчних кислот ~ 1,0-1,3 г на добу Синтез із ацетилКоА (ендогенний холестерин) до 1 на добу фонд холестерину в організмі екскреція з фекаліями ~0,5-0,7 г на добу синтез стероїдних гормонів ~40 мг на добу екскреція з шкіряним салом ~ 0,1 г на добу синтез вітаміну D3 ~10мг на добу Фонд холестерину складається з: вільного холестерину – найбільша фракція, до котрої належать холестерин мембран і оболонки ліпопротеїнів крові. ефірів холестерину – гідрофобних молекул, котрі є запасною формою холестерину у організмі. Вони знаходяться у ліпідних крапхолестерин лях цитозолю клітин і ядрах ліпопротеїнів. Ефіри утворюються в реакції етерифікації холестерину з ненасиченою жирною фосфатидилхолін (лецитин) кислотою (із лецитину) за допомогою ферменту лецитинхолестеролациллецитинхолестеролтрансферази (ЛХАТ) або в реакції ацилювання ацилтрансфераза холестерину за допомогою ацил-КоА та (ЛХАТ) ацилхолестеролацилтрансферази (АХАТ). В организмі дорослої людини міститься приблизно 140 г холестерину, з котрих більш ефір ніж 90% міститься у тканинах, особливо у холестерину нервовій, м’язовій, сполучній і жировій, а також у наднирниках. До 10% холестерину міститься у плазмі крові та лімфі у складі ліпопротеїнів (складова частка у вигляді ефірів). З віком лізофосфатидилхолін холестерин накопичується у организмі, тому у дорослих концентрація холестерину у плазмі крови вище у порівнянні з дітлахами і складає в нормі 3,88 – 6,46 ммоль/л. Холестерин – дуже важлива сполука у організмі людини. Крім структурної функції (компонент клітинних мембран), холестерин є попередником багатьох біологічно значущих речовин: стероїдних гормонів (кортикостероїдів, статевих гормонів), антирахітичного вітаміну D3, а також жовчних кислот, тобто усіх стероїдів у 85 організмі. фосфоліпіди Ліпопротеїни – транспортні форми ліпідів апоВ-100 Усі ліпіди надходять у плазму у вигляді макромолекулярних комплексів, котрі називаються ліпопротеїнами. Ліпопротеїни (ЛП) – це сферичні частинки, що складаються з гідрофобного ядра й амфіфільної оболонки. Ядро містить неполярні триацилгліцериди (ТАГ) та ефіри холестерину. Оболонка складається з полярних ліпідів - холестерину та фосфоліпідів. Заряджені кінці цих молекул спрямовані назовні. Крім того, до складу оболонки входять білки ТАГ холестерин (апопротеїни), нековалентно зв’язані з фосфоліпідами та ефіри холестерину холестерином. Існують апопротеїни А, В, С, D і E. Функції апопротеїнів: структурна, активація ЛП-ліпази, рецепторна. Циркулюючи у крові, ліпопротеїни обмінюються між собою поверхневими ліпідами та апопротеїнами. Апопротеїни служать "візитною карткою" ліпопротеїнів, тому що ліпопротеїнові рецептори у різних тканинах та органах розпізнають тільки специфічні апопротеїни. ХМ ЛПДНЩ ЛПНЩ ЛПВЩ тригліцериди холестерин фосфоліпіди хіломікрони транспорт ліпідів із клітин кишечника ліпопротеїни дуже низької щільності ліпопротеїни низької щільності транспорт ліпідів, котрі синтезується у печінці транспорт холестерину до тканин атерогенні ліпопротеїни высокої щільності транспорт холестерину із тканин у печінку антиатерогенні Існує декілька класів ліпопротеїнів в залежності від їхньої густини (визначається ультрацентрифугуванням) та електрофоретичною рухомістю. Щільність ліпопротеїнової частинки оцінюється за Хіломікрони (х60000) співвідношенням апопротеїни/ліпіди: чим більше білку, тим вище густина. Електрофоретична рухомість залежить від вмісту апопротеїнів і полярних ліпідів. 86 ЛПНЩ (х180000) апопротеїни функції ЛП ЛПДНЩ (х180000) ЛПВЩ (х180000) кишечник печінка ЛПВЩ зворотний транспорт холестерину до печінки ЛПНЩ остат. ХМ ЛПДНЩ ХМ капіляр остат. позапечінкові тканини ЛПДНЩ попередники ЛПВЩ (із печінки та кишечника) ВЖК жирова тканина, м’язи ліпопротеїнліпаза Усі ліпопротеїни беруть участь у транспорті холестерину та його ефірів по крові та їхнім розподіленням по органам. Хіломікрони транспортують екзогенний холестерин із кишечника до печінки. ЛПДНЩ утворюються у печінці (в невеликій кількості – у кишечнику) та транспортують екзо- та ендогенний холестерин (поряд із іншими ліпідами) до тканин. Обидві форми ліпопротеїнів (ХМ і ЛПДНЩ) швидко розпадаються (півперіод їхнього життя складає 1,5 – 2 години). плазма крові після голодування плазма крові після прийому жирної їжі Ліпопротеїнліпаза (ЛП-ліпаза) розщеплює ТАГ у складі хіломікронів і ЛПДНЩ на поверхні ендотелію капілярів з наступним перетворенням цих частинок у остаткові хіломікрони та остаткові ЛПДНЩ, відповідно. Ці частинки поглинаються у печінці за механізмом ендоцитозу завдяки наявності специфічних рецепторів. Далі ТАГ остаткових ЛПДНЩ розщеплюються ЛП-ліпазою, після чого вони перетворюються у ЛПНЩ. ЛПНЩ відрізняються від своїх попередників не тільки збільшеним вмістом холестерину (у вигляді ефірів), але й складом апопротеїнів. Це основний клас ліпопротеїнів, котрі переносять холестерин не тільки до печінки, але й до позапечінкових тканин та органів для його подальшого використання. ЛПНЩ називаються атерогенними, тому що вони сприяють розвитку атеросклерозу. ЛПВЩ утворюються із своїх попередників у печінці та «дозрівають» у крові. Завдяки своєї здатності «вытягати» на себе із клітин мембранний холестерин, ЛПВЩ забезпечують його зворотний транспорт до печінки, тому вони називаються антиатерогенними ліпопротеїнами (перешкоджають розвитку атеросклерозу). 87 Біосинтез ліпідів - ліпогенез Ліпогенез спрямований на акумуляцію у організмі людини резервів метаболічного пального у вигляді триацилгліцеридів і на оновлення структурних компонентів біомембран шляхом синтезу фосфоліпідів, сфінголіпідів. Складовою частиною цього процесу є біосинтез жирних кислот, котрий найбільш активно відбувається у жировій тканині, печінці, молочній залозі пад час лактації. Синтез вищих жирних кислот В організмі людини переважно синтезується пальмітинова кислота (С16), безпосереднім донором двовуглецевих фрагментів є ацетил-КоА, що утворюється при аеробному окисненні глюкози у мітохондріях клітин. Реакції синтезу локалізовані у цитозолі клітин, але внутрішня мембрана мітохондрій непроникна для ацетил-КоА. матрикс цитозоль Перенесення ацетилу із ацетил-КоА ацетил-КоА мітохондрій у цитозоль здійснюється за допомогою човникового оксалоацетат цитрат цитрат оксалоацетат механізму. Спочатку у мітохондріальному матриксі із ацетил-КоА і малат СО2 оксалоацетату утворюється цитрат, НАДФ+ НАДФН+ котрий проходить крізь мембрану мітохондрій, і саме він є піруват піруват переносником ацетилу у цитозоль. Оксалоацетат повертається у матрикс мітохондрій також за допомогою човникової системи. Для цього він відновлюється у малат, котрий проходить через мембрану. Іншим шляхом повернення оксалоацетату є його перетворення у піруват, для котрого мембрана теж проникна. Перевагою цього шляху є утворення НАДФН+Н+, необхідного для відновного синтезу жирних кислот. У мітохондріях цитрат є основним субстратом циклу Кребса, але він може залишати мітохондрії та виходити у цитозоль за умов посиленого вживання вуглеводів із їжею. У першій стадії відбувається карбоксилювання ацетил-КоА з утворенням С3 молекули малоніл-КоА. Реакція каталізується ключовим ферментом біосинтезу – ацетил-КоАкарбоксилазою, простетична група цього фермента - біотин. АТФ SКоА ацетил-КоА + біотин цитрат інсулін АДФ+Ф ацетилКоА-карбоксилаза (КоЕ – біотин) SКоА малоніл-КоА пальмітоїл-КоА Біотин (вітамін Н) за участю АТФ утворює активний комплекс із вугільною 88 кислотою – карбоксибіотин, який вводить карбоксильну групу в ацетил-КоА. У синтезі жирних кислот приймає участь мультиферментний комп- Синтаза жирних кислот (пальмітатсинтаза) лекс – синтаза жирних кислот (пальмітатсинтаза), котрий β-кетоацил-АТБскладається з декількох ферментів, Малоніл-КоАсинтетаза SН каталізуючих окремі реакції АТБ-трансфераза синтезу жирних кислот, і з SН ацилтранспортуючого білку Ацил(АТБ). Цей комплекс має дві SHКС Транспортуючий МТ групи: цистеїнового залишку (CysБілок SH), що зв’язує ацетильний АТ АТБ КР залишок, і 4'-фосфопантотенової ЕР ГД групи (Pan-SH), необхідної для зв’язування малонільного залишку. Ця частина ферменту функціоβ-кетоацилнує як "довга рука", котра фіксує Ацетил-КоА-АТБАТБ-редуктаза субстрат і передає його від одного трансацетилаза ферменту реакції до іншого. Еноїл-АТБβ-гідроксиацил-АТБредуктаза дегідратаза Просторове об’єднання декількох послідовних реакцій у такому мультиферментному комплексі має низку принципових переваг у порівнянні з окремими ферментами: запобігаються конкурентні реакції, послідовні реакції узгоджені, як на конвеєрі. Це сприяє найбільш ефективному перебігу всіх ферментативних реакцій. Пальмітатсинтаза забезпечує послідовне зростання вуглецевого ланцюгу на два атоми вуглецю (С2, С4, С6 , тощо) до утворення 16-вуглецевого ацильного залишку, зв’язаного з SН-групою АТБ. Відщеплення пальмітилу від АТБ здійснюється шляхом гідролізу. При цьому утворюється вільна пальмітинова кислота С15Н31СООН та вивільняється пальмітатсинтаза. 89 Послідовність ферментативних реакцій синтезу ВЖК КС АТБ АТ ЕР На синтез однієї молекули пальмітату використовується: 1 молекула ацетил-КоА; 7 молекул малоніл-КоА; 14 молекул НАДФН + Н+. Внаслідок цього утворюється: 7 молекул СО2; 6 молекул H2O; 8 молекул НSКоА; 14 молекул НАДФН+Н+ МТ КР ГД КоА ацетил-КоА перенос ацетилу НSКоА КС перенос малонілу МТ АТБ АТ ЕР КР КС ГД МТ АТБ АТ ГД ЕР перенос бутирилу з SН-групи АТБ на SН-групу ферменту КС повторення циклів SКоА малоніл-КоА НSКоА КС АТ КС МТ АТБ ЕР синтаза жирних кислот КР з метильною та малонільною групами ГД АТБ АТ ЕР МТ КР ГД бутирил-АТБ 1 НАДФ+ конденсація 4 НАДФН+ КС МТ АТБ АТ ЕР КР АТ ГД відновлення МТ АТБ ЕР НАДФН+ 2 відновлення КС β-кетобутирил-АТБ 90 5 КР НАДФ+ КС ЕР ГД МТ АТБ АТ КР КР ГД β-гідроксибутирил-АТБ 3 дегідратація Синтез фосфатидної кислоти – спільного попередника ТАГ і ФЛ Жири – це найбільш компактна форма зберігання енергії. Тому надлишок глюкози, що надходить із їжею, перетворюється у жири. Цей процес активується інсуліном (у абсорбтивний період), і найбільш активно він відбувається у печенці та жировій тканині. гліколіз глюкоза фосфодіоксіацетон печінка жирова тканина м’язи НАДН+Н+ гліцерофосфатдегідрогеназа гліцерин АТФ гліцеролкіназа печінка АДФ НАД+ гліцерол3-фосфат Ацилювання гліцерол-3-фосфату у позиціях 1, 2 SКоА НSКоА SКоА Фосфатидна кислота спільний попередник у синтезі простих нейтральних жирів (триацилгліцеридів, ТАГ) і складних ліпідів – фосфоліпідів (ФЛ). НSКоА фосфатидна кислота триацилгліцериди ацетил-КоА глюкоза Синтезовані із ацетилКоА (із глюкози) жирні кислоти не залишаються вільними, а активуються у ацилКоА та використовуються для синтезу ТАГ і у меншій кількості - ФЛ. фосфоліпіди 91 Н2О ЦТФ фосфатидна кислота Ф ФФ ЦДФ-холін ЦМФ ЦДФ ЦДФ-діацилгліцерид діацилгліцерид 3 серин ЦМФ 3 триацилгліцерид Синтезируємі нейтральні жири ТАГ виконують головним чином енергетичну функцію, а фосфоліпіди – переважно структурну: вони входять до складу мембран клітин і оболонок ліпопротеїнів. У печінці синтезуються ТАГ і ФЛ, але не тільки для власних потреб, але й «на експорт» - для інших тканин та органів,ву котрі вони потрапляють з кров’ю у складі ліпопротеїнів. При порушенні синтезу фосфоліпідів перешкоджається виведення нейтральних гідрофобних ТАГ із гепатоцитів, що може призводити до жирової инфильтрації печінки (нагромадженню нейтральних жирів у гепатоцитах). Синтез ФЛ може бути спричинений, наприклад, нестачею ліпотропних речовин: холіну, метіоніну, серину (при білковому голодуванні). 92 фосфатидилсерин фосфатидилэтаноламин Препарат «Гептрал», що використовується при захворюваннях печінки, - це S-аденозилметіонін. S-аденозил(-СН3) метіонін В12 S-аденозилгомоцистеїн фосфатидилхолін (лецитин) Порушення ліпідного обміну Гіперліпопротеїнеміі первинні – спадкові молекулярні захворювання, спричинені порушеннями синтезу неферментативних білків – апопротеїнів. У крові спостерігається підвищення вмісту відповідних ліпопротеїнів. Ці захворювання зустрічаються дуже рідко. Гіперліпопротеїнемії вторинні – захворювання, при котрих спостерігається підвищення концентрації ліпідів. Виникненю цих захворювань сприяють не лише спадкові причини, але й такі чинники як умови життя, особливості харчування, вік, стать та інші. Вторинні гіперліпопротеїнемії супроводжують ожиріння, цукровий діабет, атеросклероз. Атеросклероз – це системне захворювання, головною ознакою котрого є накопичення в інтімі судин ліпідних бляшок, у складі яких переважають холестерин і його ефіри. Бляшки спричинюють звуження судин крові. Внаслідок цього порушується кровопостачання тканин та органів, що поступово може призвести до ішемічної хвороби серця, інфаркта міокарда, інсульта. Молекулярною основою атеросклерозу є гіперхолестеринемія, але вирішальне значення має співвідношення ЛПНЩ/ЛПВЩ. Розвитку атеросклерозу сприяє не тільки підвищення концентрації у крові фракції атерогенних ЛПНЩ, але й поява та зростання в цій фракції різноманітних модифікованих ЛПНЩ. При лікуванні атеросклерозу використовують наступні препарати: статини (правастатин, ловастатин та інші) – конкурентні інгібітори ОМГ-КоАредуктази, зменшують синтез ендогенного холестерину; секвестранти жовчних кислот (колестипол) – підвищують виведення жовчних кислот із організму; фібрати (фенофібрат) - активують ЛП-ліпазу та зменшують утворення ЛПДНЩ; антиоксиданти (вітамін Е, пробукол) – гальмують пероксидну модифікацію ЛП; нікотинову кислоту – зменшує утворення ЛПДНЩ і підвищує вміст антиатерогенних ЛПВЩ. Ожиріння – підвищення відкладання нейтрального жиру в адипоцитах у порівнянні з нормою. Первинне ожиріння відбувається в результаті перевищення калорійності харчування у порівнянні з витрачанням енергії. Розвитку ожиріння сприяють генетичні причини. Наприклад, існує ген ожиріння obese gene, продуктом експресії якого є білок лептин (від грец. худий). Мутації в цьому гені призводять до розвитку ожиріння. Нормальна миша (праворуч) і миша з ожирінням (ліворуч) Вторинне ожиріння супроводжує інші захворювання, частіше всього ендокринні. Наприклад, при гіпофункції щитоподібної залози виникає ожиріння. 93 Тести з теми “Обмін ліпідів” 1. У чоловіка, який тривалий час не вживав з їжею жирів, але отримував достатню кількість вуглеводів і білків, виявлено дерматит, погане загоювання ран, погіршення зору. Яка можлива причина порушення обміну речовин? A. Нестача лінолевої кислоти, вітамінів А, Д, Е, К B. Нестача пальмітинової кислоти C. Нестача вітамінів РР, Н D. Низька калорійність дієти E. Нестача олеїнової кислоти 2. В основі ліполізу (мобілізації жирних кислот (з жирових депо) лежить ферментативний процес гідролізу жиру до жирних кислот та гліцерину. Утворені жирні кислоти надходять в кров і транспортуються в складі: A. ЛПНЩ (ліпопротеїнів низької щільності) B. Глобулінів C. ЛПВЩ(ліпопротеїнів високої щільності) D. Альбумінів E. Хіломікронів 3. Після прийому жирної їжі хворий відчуває дискомфорт, а у калі неперетравлені краплі жиру.Причиною такого стану є нестача: A. Фосфоліпідів B. Жирних кислот C. Хіломікронів D. Тригліцеридів E. Жовчних кислот 4. Хворий страждає на гіпертонію, атеросклеротичне ураження судин. Укажіть, вживання якого ліпіду йому необхідно знизити в добовому раціоні. A. Олеїнову кислоту B. Холестерину C. Лецитину D. Моноолеатгліцериду E. Фосфатиділсерину 5. При обстеженні хворого виявили застій жовчі в печінці та жовчні камені в жовчному міхурі. Вкажіть основний компонент жовчних каменів, які утворюються в цьому стані. A. Тригліцериди B. Холестерин. C. Білірубінат кальцію. D. Білок. E. Мінеральні солі. Еталони відповідей: 1- А; 2 – Д; 3 – Е; 4 – В; 5 – В. 94 6. Хворому призначено аспірин як протизапальній засіб, що гальмує продукцію біорегуляторів - простагландинів. Із якої кислоти утворюються ці біологічно активні сполуки? A. Стеаринової B. Олеїнової C. Арахідонової D. Глюкуронової E. Пировиноградної 7. Встановлено, що всі перетворення вільних жирних кислот починаються з активації. Яка сполука приймає участь у цьому процесі? А. Холін В. Гліцерин С. Фосфорна кислота Д. Коэнзим А Е. ГТФ 8. Як енергетичні сполуки вільні жирні кислоти використуються у різних тканинах. Скільки молей АТФ утворюється при полному окисленні пальмітинової кислоти? А. 2 мол. В. 38 мол. С. 130 мол. Д. 145 мол. Е. 128 мол 9. Протизапальна дія деяких препаратів зумовлена їх інгібуючим впливом на визволення арахідонової кислоти. Ця кислота є попередником: A. Гему B. Сечовини C. Сечової кислоти D. Простагландинів E. Холестерину 10. Пацієнту призначений препарат карнітину. Трансмембранний перенос яких сполук забеспечує цей препарат? A. Амінокислот B. Пуринових нуклеотидів C. Піримидинових нуклеотидів D. Глюкози E. Холестерину 95 11. В організмі людини основним місцем депонування триацилгліцеролів (ТАГ) є жирова тканина. Разом з тим їх синтез відбувається в гепатоцитах. У вигляді чого проходить транспорт ТАГ із печінки в жирову тканину? A. ЛПДНЩ B. Хіломікронів C. ЛПНЩ D. ЛПВЩ E. Комплексу з альбуміном 12. У чоловіка 58 років є ознаки атеросклеротичного ураження серцево-судинної системи. Збільшення якого з перерахованих нижче показників биохімічного аналізу крові найбільш характерно для цього стану? A. Рівня ЛПНЩ B. Рівня хиломикронів C. Рівня ЛВПЩ (a-ліпопротеїнів) D. Активності аланінмінотрансферази E. Активності сукцинатдегідрогенази 13. Людину вкусила змія. Вона починає задихатися, в сечі з'являється гемоглобін. У крові проходить гемоліз еритроцитів. Дія токсичої зміїної отрути призводить до : A. Утворення лізолецитину B. Ацидозу C. Поліурії D. Розвитку алкалозу E. Утворення тригліцеридів 14. Жирні кислоти, як висококалорійні сполуки зазнають перетворень у мітохондріях у результаті яких утворюється велика кількість енергії. Якими шляхами проходять ці процеси ? A. Бета - окиснення B. Декарбоксилювання C. Трансамінування D. Дезамінування E. Відновлення 15. У хворої дитини при аналізі крові встановлено гіперліпопротеїнемію, що передалась по спадковості. Генетичний дефект синтезу якого ферменту обумовлює це A. Ліпопротеїнліпаза B. Глікозидаза C. Протеїназа D. Гемсинтетаза E. Фенілаланінгідроксилаза 96 16. Наявністю яких ліпідів зумовлена мутність сироватки крові : A. Хіломікронів B. Холестерину C. Жирних кислот D. Тригліцеридів E. Глицерину 17. При цукровому діабеті глюкоза погано засвоюється тканинами, в крові значно збільшується рівень інших низькомолекулярних речовин, що відіграють роль транспортного водорозчинного енергетичного матеріалу. Це в першу чергу: A. Кетонові тіла B. Молочна кислоти C. Піровіноградна кислота D. &-кетоглутарова кислота E. Оксалат 18. Для підвищення результатів спортсмену рекомендували застосовувати препарат, який містить у собі карнітин. Який процес в найбільшій ступені активується карнітином? A. Транспорт жирних кислот в мітохондрії B. Синтез кетонових тіл C. Синтез ліпідів D. Тканинне дихання E. Синтез стероїдних гормонів 19. При ненадходженні чи недостатньому утворенні в організмі людини ліпотропних факторів у неї розвивається жирове переродження печінки. Яку з наведених речовин можна використовувати при цьому? A. Холін B. Холестерин C. Триацилгліцериди D. Жирні кислоти E. Рибофлавін 20. Хворий після прийому жирної їжі відчуває нудоту, млявість, з часом з'явилися ознаки стеатореї. В крові холестерин - 9,2 ммоль/л. Причиною такого стану є нестача: A. Жовчних кислот B. Тригліцеридів C. Жирних кислот D. Фосфоліпідів E. Хіломікронів 97 ОБМІН ПРОСТИХ БІЛКІВ Білки це біополімери, котрі складаються з мономерів амінокислот, з’єднаних пептидним зв’язком. R R R O H O H пептидний зв’язок R R O H O Н2N-CH-C N-CH-C N-CH-C N-CH-C H R R O H O H R O H O N-CH-C N-CH-C N-CH-C N-CH-C-OH Розрізняють чотири рівні структурної організації білків: первинна cтруктура – детермінована лінійна послідовність амінокислот у поліпептидному ланцюзі. Утворювальні зв’язки: пептидні. третинна структура – просторова упаковка вторинної структури. Стабілізуючі зв’язки: водневі, дисульфідні, іонні, гідрофобні вторинна структура – просторова упаковка поліпептидного ланцюгу у вигляді α-спіралі або βструктури. Стабілізуючі зв’язки: водневі. четвертинна структура – асоціація декількох субодиниць (протомерів) у олігомерний білок. Стабілізуючі зв’язки: водневі, іонні, гідрофобні. Обмін белків займає центральне місце у метаболічних процесах, що відбуваються у живому організмі. Це обумовлено різноманітністю, важливістю та унікальністю функцій, котрі виконують білки. Саме цей вид обміну речовин забезпечує відтворення подібних до себе організмів шляхом програмованого синтезу білків, а інші види обміну речовин підпорядковані цьому глобальному завданню. 98 В організмі людини протягом доби розпадаються на амінокислоти приблизно 400 г білків, і така ж кількість білків синтезується. Незворотно розпадається 1/4 частина амінокислот, котра повинна компенсуватися за рахунок харчових білків. За добу доросла людина повинна споживати 0,7 г білків на 1 кг маси тіла(100-150 г на добу). Виключення білків із їжі навіть на недовгий термін призводить до важких порушень: Білкове голодування (квашиоркор) Зменшення вживання білків снижен синтез зменшення синклеточных белков тезу клітинних білків затримка росту зменшення синтезу гемоглобіну анемія зменшення синтезу альбумінів набряки зменшення синтезу ліпопротеїнів жирова інфільтрація печінки атрофія клітин підшлункової залози порушення травлення білків Білкове голодування небезпечне також тому, що у організмі людини можуть синтезуватися із інших метаболітів лише замінні амінокислоти, а інші, незамінні амінокислоти, повинні надходити з їжею, тому що організм людини не здатний їх синтезувати. Для біосинтезу білків потрібний повний набір амінокислот. При відсутності незамінних амінокисло біосинтез білків не відбувається (принцип «все або нічого»). Білки – це основні азотвмісні сполуки у організмі, тому для характеристики білкового обміну використовується поняття «азотовий баланс», котрий характеризується співвідношенням азоту, що надійшов із їжею, до азоту, що виводиться (Nнад./Nвив.). позитивний азотовий баланс (Nнад./Nвив. >0) – характерний під час росту організму, для періоду одуження після хвороб; для вагітності; негативний азотовий баланс (Nнад./Nвив. <0) – характерний для підсиленого розпаду білків (при старінні, голодуванні, виснажливих захворюваннях); азотова рівновага (Nнад./Nвив. = 0) – характерна для дорослого здорового організму при нормальному харчуванні. 99 ТРАВЛЕННЯ БІЛКІВ Травлення білків – це ферментативний гідроліз (протеоліз) пептидних зв’язків молекулах білків, внаслідок якого утворюються вільні амінокислоти. у радикали амінокислот … N-кінець ланцюгу пептидний зв’язок С-кінець ланцюгу Травлення білків відбувається за допомогою гідролаз, які називаються протеолітичними ферментами (протеазами або пептидазами). Вони утворюються у неактивній формі (проферменти або зимогени) та активуються шляхом часткового протеолізу, тобто шляхом гідролізу одного пептидного зв’язку з наступним відщепленням інгібуючого N-кінцевого пептиду. Це супроводжується зміною конформації ферменту та розкриттям його активного центру: Н2О неактивний фермент (профермент або зимоген) аутокаталіз N-кінцевий поліпептид активний фермент Активний фермент, що утворився внаслідок часткового протеолізу, може діяти на власний профермент та переводити його у активний стан, тобто здійснювати аутокаталіз (сам себе активує). Місце синтезу проферментів (слизова оболонка шлунку, підшлункова залоза) і місце їхньої активації (порожнина шлунку, порожнина тонкої кишки просторово відокремлені. Це необхідно для захисту секреторних клітин шлунку та підшлункової залози від аутоперетравлення. Передчасна активація проферментів у секреторних клітинах відбувається при виразковій хворобі, гострому панкреатиті (активируются пепсин, трипсин, 100 відповідно). В нормі у підшлунковій залозі не відбувається активація зимогенів завдяки наявності інгібітору трипсину, котрий утворює з ферментом дуже міцний комплекс. У шлунку та кишечнику внутрені повехні покриті муцинами – глікопротеїнами слизу. Муцини захищають епітелій шлунково-кишкового тракту від негативної дії протеолітичних ферментів. Згідно з місцем дії на молекули субстрату протеолітичні ферменти розподіляються на екзопептидази та ендопептидази. Протеази, або пептидази, котрі гідролізують пептидний зв’язок у кінцевої амінокислоти, називаються екзопептидазами. До них належать амінопептидаза, котра відщеплює останню амінокислоту з N-кінця білкової молекули, та карбоксипептидаза, котра гідролізує пептидний зв’язок з Скінця молекули білка, а також ди- та трипептидази, що розщеплюють дипептиди та трипептиди. Пептидні зв’язки, розташовані на відстані від кінців молекули білка, гідролізують ендопептидази: пепсин, трипсин, хімотрипсин, еластаза. В залежності від наявності у їхніх активних центрах амінокислот серину, цистеїну та інших, розрізняють серинові протеази, цистеїнові протеази та інші. амінопептидаза ендопептидази екзопептидази Ендопептидази: пепсин трипсин хімотрипсин еластаза дипептидази карбоксипептидаза амінокислотний залишок Пептидази характеризуються відносною специфічністю, тобто вони розщеплюють усі білки, але кожний з цих ферментів переважно гідролізує пептидні зв’язки лише між певними амінокислотами: пепсин гідролізує пептидні зв’язки, утворені карбосильними групами ароматичних амінокислот (фенілаланіну та тирозину), а також лейцину та глутамату; трипсин розщепляює зв’язки, утворені карбоксильними групами аргініну та лізину; хімотрипсин - фенілаланіну, тирозину та триптофану; еластаза – гліцину, аланіну, серину, проліну. Протеолітичні ферменти використовуються як лікарські засоби (ацидинпепсин, фестал, панкреатин) при порушенні секреції шлункового соку, при запаленні підшлункової залози. Крім того, протеази використовуються для обробки гнійних ран (розщеплюють білки, що містяться у гнійній рідині). 101 ТРАВЛЕННЯ БІЛКІВ У ШЛУНКУ Для пепсину рНопт 1,5-2. R R O H тирозин O H O H фенілаланін R O Н2N-CH-C N-CH-C N-CH-C N-CH-C H R O H R O H R O H O N-CH-C N-CH-C N-CH-C N-CH-C-OH пепсин НCl пепсиноген аутокаталіз У шлунку діє фермент пепсин, котрий синтезується у основних клітиних слизової оболонки шлунку у вигляді неактивного проферменту пепсиногену. Цей зимоген активується шляхом часткового протеолізу за допомогою соляної кислоти (повільно), а далі – за механізмом аутокаталіза (швидко). Пепсин – це фермент з відносною специфічністю. Він гідролізує пептидні зв’язки, утворені карбоксильними групами ароматичних амінокислот (фенілаланіну, тирозину). У шлунку також діє пепсиноподібний фермент гастриксин, у котрого рНопт = 3, тому він перетравлює білки при при низькій кислотності шлункового соку. Функції соляної кислоти: денатурація білків створює середовище з рН 1,5 – 2 активує пепсин руйнує мікроорганізми У дітей грудного віку фермент шлунка реннін каталізує звурджування молока, перетворюючи розчинний білок казеїноген у нерозчинний казеїн, котрий далі розщеплюється пепсином Порушення травлення білків у шлунку Гіперхлоргідрія –підвищена продукція НСl. гипоацидные Гіпоацидні стани состояния Гіпохлоргідрія - зменшена продукція НСl. рН 3 - 5 Ахілія – відсутність у шлунковому соці НСl і пепсину. (Повна ахілія або тотальна резекція шлунку може спричинити злоякісну перніциозну анемію, тому що відсутній внутрішній фактор Касла – гастромукопротеїн, необхідний для всмоктування вітаміну В12). Молочна кислота (лактат) у шлунковому соці в нормі відсутня. Вона визначається при злоякісних пухлинах шлунка 102 (активується анаеробний гліколіз). ТРАВЛЕННЯ БЕЛКІВ У КИШЕЧНИКУ амінопептидаза R аргінин лізин R O H O H фенілаланін тирозин триптофан O H O Н2N-CH-C N-CH-C N-CH-C N-CH-C трипсин ентеропептидаза трипсиноген хімотрипсин R H гліцин аланін O H R O H R O H O N-CH-C N-CH-C N-CH-C N-CH-C-OH еластаза карбоксипептидаза хімотрипсиноген проеластаза прокарбоксипептидаза У кишечнику (рН 7-8) діють ферменти підшлункової залози: трипсин, хімотрипсин, еластаза, карбоксипептидаза, котрі синтезуються у вигляді попередників. Ці проферменти активуються у кишечнику: трипсиноген активується ферментом кишечника ентеропептидазою, хімотрипсиноген, проеластаза та прокарбоксипептидаза активируються найбільш активним ферментом трипсином. Амінопептидаза та дипептидази – ферменти кишкового соку, вони синтезуються у активному вигляді. В результаті сумарної дії шлункових, панкреатичних і кишечних пептидаз відбувається повний гідроліз харчових білків і утворюються вільні амінокислоти, котрі всмоктуються у стінку кишечника шляхом активного транспорту. Далі вони потрапляють у кров і транспортуються до тканин і органів. На відміну від білків, вільні амінокислоти позбавлені видової специфічності та не характеризуються антигенними властивостями. Шляхи перетворень амінокислот Частина амінокислот внаслідок втрати аміногрупи (процеси дезамінування і трансамінування) перетвоюється в α-кетокислоти (безазотові залишки), котрі можуть: використовуватися для синтезу глюкози – глюконеогенез (такі амінокислоти називаються глікогенними), використовуватися для синтезу ліпідів, кетоновых тіл – кетогенез (такі амінокислоти називаються кетогенними), окиснюватися до кінцевих продуктів з утворенням СО2, води та енергії. Аміногрупа відщеплюється у вигляді аміаку NH3 (токсична речовина), перетворюється у сечовину (кінцевий продукт азотового обміну) та виводиться з сечею. Частка амінокислот розпадається шляхом відщеплення карбоксильної групи у вигляді СО2 (декарбоксилювання) з утворенням продуктів, які називаються біогенними амінами. 103 Шляхи перетворень амінокислот На відміну від вуглеводів і ліпідів, в організмі не існує депо білків. Своєрідним депо є пул (фонд) амінокислот - кількість вільних амінокислот, котрі утворюються: після всмоктування у кишечнику, при розщепленні (протеолізі) власних білків організма, шляхом синтезу de novo (замінні амінокислоти). Функціональні білки 10000г дозрівання Вільні амінокислоти використовуються перш за все для синтезу власних функціональних білків організма: структурних білків, ферментів, рецепторів, гормонів, білків плазми крові та інших. трансляція глюкоза пул амінокислот 100 г їжа 50-100 г/добу ліпіди секреція білка 50г / добу кетонові тіла всмоктування до 150г/добу травлення cинтез de novo деградація 50-100г/добу СО2 амінокислоти кишечник виведення з фекаліями 10г/добу 104 піруват фосфоенолпіруват 3-фосфогліцерат ά-кетокислоти глюкоза ά-кетокислоти NН3 СО2 , АТ Ф сечовина біогенні аміни солі амонію нирки виведення з сечею Н2О ДЕЗАМІНУВАННЯ АМІНОКИСЛОТ НАД+ глутамат НАДН +Н+ пряме окиснювальне дезамінування NН3 α-кетоглутарат Дезамінування це процес відщеплення α-аміногрупи від NН3 амінокислоти у вигляді аміаку. Дезамінуванню підлягають амінокислоти, крім лізину. усі Існує декілька видів дезамінування: пряме окиснювальне – для глутамінової кислоти, пряме неокиснювальне: гідролітичне – для цистеїну, внутрішньомолекулярна перебудова – для гістидину, відновлювальне - для серину та треоніну, непряме – для більшості амінокислот. Основним видом прямого дезамінування є окиснювальне дезамінування, котрому підлягає лише глутамінова кислота. Пряме окиснювальне дезамінування глутамінової кислоти здійснюється за допомогою фермента глутаматдегідрогенази (кофермент НАД+ або НАДФ+), локалізованого у мітохондріях багатьох органів (максимально у печінці) і з високою швидкістю перетворюючого глутамат у α-кетоглутарат. При прямому дезамінуванні утворюється вільний аміак (токсична речовина), який далі знешкоджується. Більшість амінокислот приймає участь у непрямому дезамінуванні, першим етапом якого є трансамінування. ТРАНСАМІНУВАННЯ АМІНОКИСЛОТ Трансамінування – це перенесення аміногрупи від амінокислоти (донора) на αкетокислоту (акцептор) з наступним утворенням нової α-кетокислоти и нової амінокислоти без проміжного виділення аміаку. 1 амінокислота 1 ά-кетокислота 2 амінокислота 2 ά-кетокислота 105 Цю реакцію каталізують амінотрансферази (трансамінази). Коферментом амінотрансфераз є піридоксальфосфат (ПАЛФ) – активна форма вітаміна В6, котрий у якості посередника приймає аміногрупу від амінокислоти та перетворюється у піридоксамінфосфат (ПАМФ). Амінотрансферази органоспецифічні: аланінамінотрансфераза (АлАТ) локалізована переважно у печінці, аспартатамінотрансфераза (АсАТ) –– у серці. При пошкодженні цих органів ферменти потрапляють у кров. Визначення їхньої активності у сироватці крові є дуже важливим методом для виявлення та контролю за перебігом гострого гепатиту (АлАт) та інфаркту міокарда (АсАт). Активність цих індикаторних ферментів підвищується при даних захворюваннях у 20-30 разів. Основними донорами аміногруп в реакціях трансамінування є глутамат, аспартат і аланін. Основним акцептором аміногрупп від різних амінокислот є α-кетоглутарат. Значення реакцій трансамінування: колекторна функція – збирання аміногрупп від різних амінокислот у вигляді глутамінової кислоти; синтез замінних амінокислот; перерозподіл амінного азоту у тканинах; початковий етап катаболізму амінокислот, перша стадія непрямого дезамінування; завдяки реакціям трансамінування вуглецевий скелет амінокислот може включатися в інші види обміну речовин НЕПРЯМЕ ДЕЗАМІНУВАННЯ 2 NН3 глутаматдегідрогеназа α-кетоглутарат 1 глутамат α-кетоглутарат Аминокислоти, котрі не здатні дезамінуватися прямо, підлягають непрямому дезамінуванню або трансдезамінуванню, яке складається з двох етапів: амінокислота α-кетокислота 1 –трансамінування амінокислоти з ά-кетоглутаровою кислотою, внаслідок чого утворюється глутамінова кислота, 2 – пряме окиснювальне дезамінування глутамінової кислоти з наступним утвореннім вільного аміаку. Глутаматдегідрогеназа, каталізуюча другий етап трансамінування, - регуляторний алостеричний фермент. Її інгібує НАДН2. Від активності глутаматдегідрогенази залежить швидкість непрямого дезамінування амінокислот і утворення аміаку. 106 Обмін аміаку амінокислоти біогенні аміни гниття білків нуклеотиди NН3 Джерела аміаку: пряме та непряме дезамінування амінокислот; інактивація біогенних амінів; дезамінування пуринових і піримідинових нуклеотидів; гниття білків у кишечнику. Аміак – токсична речовина. У високих концентраціях він пошкоджує головним чином нервові клітини. Причини токсичності аміаку: Аміак зв’язує α-кетоглутарат (відновлювальне амінування) НАДФН+Н+ НАДФ+ NН3 + α-кетоглутарат глутамат У цьому випадку α-кетоглутарат виводиться з пулу амінокислот, що призводить до гальмування реакцій, в яких він використовується: ЦТК (виникає гіпоенергетичний стан); обмін амінокислот (порушується трансамінування). Аміак підсилює синтез глутаміну у нервовій тканині, що призводить до підвищення осмотичного тиску з подальшим виникненням набряку мозку. АДФ + Ф АТФ NН3 + глутамат глутамін Аміак знаходиться у крові у вигляді катіона амонію NН4+ NН3 + Н+ NН4+, При накопиченні катіона амонію порушується транспорт катіонів Na+, К+ через мембрани, що погіршає проведення нервових імпульсів. Знешкодження аміаку NН3 Синтез глутаміну мозок та інші органи Утворення аланіну м’язи, кишечник Синтез сечовини 25г/добу печінка Утворення солей амонію Утворення глутамату 0,5г/добу нирки мозок 107 Шляхи знешкодження аміаку 1. Утворення транспортних форм аміаку Кінцевими продуктами обміну аміаку є сечовина та солі амонію, котрі утворюються у печінці та нирках, відповідно, та виводяться із організму у складі сечі. Але аміак утворюється в усіх тканинах і органах, особливо при важкому фізичному навантаженні, нервовому збудженню.возбуждении. Тому доставка аміаку до місць його остаточного знешкодження (печінка та нирки) здійснюється за допомогою транспортних форм. Головною транспортною формою аміаку є глутамін, який легко проходить через клітинні мембрани, тому що він є нейтральною сполукою: АДФ + Ф АТФ NН3 + глутамат глутамін глутамінсинтетаза У нормі завдяки цій реакції підтримується низька концентрація аміаку у крові (25-40 мкмоль/л) Глутамін потрапляє у кров із різних тканин, але головним чином, із м’язів і мозку. Далі він транспортується у нирки, печінку та кишечник, у яких за допомогою ферменту глутамінази від глутаміну відщепляється вільний аміаак: Н2О глутамін глутаміназа глутамат + NН3 Із кишечника та м’язів аміак виводиться у вигляді аланіну (глюкозо-аланіновий цикл). Працюючі м’язи отримують частину енерггії за м язові білки рахунок розпаду амінокислот.Аміногрупи від різних амінокислот включаються у глутамат амінокислоти завдяки реакції трансамінування. Далі глутамат трансамінується з піруватом, який утворюється у працюючих м’язах із глюкози в результаті гліколізу. Внаслідок цієї реакції утворюється аланін, який «несе в собі» аміногрупи із білків м’язів і аланін вуглецевий скелет із глюкози: аланін + + аланін піруват глутамат аланін α-кетоглутарат Аланін, що утворився, транспортується з током крові у печінку, де вступає в реакцію непрямого нирки дезамінування. Із аміаку, що утворився, сечовина синтезується сечовина, а піруват перетворюється у глюкозу - джерело енергії для м’язів. 108 Виведення із сечею 2. Біосинтез сечовини – орнітиновий цикл Орнітиновий цикл, або цикл Кребса –Хензелайта, або цикл синтезу сечовини – це головний процес знешкодження аміаку у організмі людини. Він відбувається тільки у печінці(в + NН4 глутамін мітохондріях і цитозолі) шляхом утворення нейтральної нетоксичної Н CО3молекули сечовини, яка легко карбамоїл2АТФ проходить через мембрани, фосфаттранспортується по крові у нирки і cинтетаза I 2АДФ+Ф виводиться із сечею. карбамоїлфосфат Для біосинтезу сечовини необхідні аміак (потрапляє у печінку у складі глутаміну) і вугільна кислота Н2N C (НСО3-). матрикс митохондрії орнітин орнітинН2N карбамоїлтрансфераза C цитрулін цитрулін цитозоль АТФ аргініносукцинатcинтетаза НN C фосфат орнітин NН2 C =О ФФ рибоза NН2 сечовина АМФ аденін аргіназа проміжний продукт NН2 Н2 N аргініносукцинатcинтетаза + C аргінін аргініносукцинатліаза АМФ аспартат NН2+ NН фумарат N Н3 C аргініносукцинат 109 Молекула сечовини містить два атоми азоту: перший атом азоту вступає у орнітиновій цикл у вигляді аміаку; N другий атом азоту вводиться в сечовину із аспартату. фумарат аргінін N NН2 C =О NН2 сечовина малат Цикл регенерації аспартату із фумарату аргініносукцинат Цикл сечовини орнітин аспартат цитрулін цитозоль матрикс митохондрії аспартат оксалоацетат цитрулін α-кетоглутарат глутамат орнітин карбамоїлфосфат NН3 НАДН+Н + НАД+ малат аланін (-NН2) ЦТК піруват фумарат Аспартат, необхідний для синтезу сечовини, утворюється у печінці з використанням вуглецевого скелету оксалоацетату та аміногрупи аланіну: -NН2 . Одночасно фумарат, який утворився у орнітиновому циклі, перетворюється у оксалоацетат внаслідок двох реакцій ЦТК, тобто відбувається регенерація аспартату із фумарату. Біосинтез сечовини потребує великих витрат енергії. Вона постачається за рахунок розриву чотирьох макроергічних зв’язків трьох молекул АТФ: двох макроергічних зв’язків при синтезі карбамоїлфосфату і двох - при синтезі аргініносукцинату. При захворюваннях печінки (гепатити, цирроз), а також при спадкових дефектах ферментів орнітинового циклу можуть виникати гіперамоніємії – підвищення концентрації аміаку у крові, котре супроводжується запамороченням, блюванням, втратою свідомості. 3. Синтез солей амонію у нирках Глутамін, який транспортує аміак у нирки, розщеплюється глутаміназою, котра активується при ацидозі, а аміак, що утворився, використовується для нейтралізації кислих продуктів з наступним утворенням солей амонію (0,5 г на добу): Ця реакція захищає організм Н+А + NН3 +А NН 4 від втрати з сечею іонів К+ і Nа+. 110 (кислота) Глікогенні амінокислоти- це амінокислоти, здатні перетворюватися у піруват і проміжні продукти ЦТК , а також використовуватися у процесі глюконеогенезу. Кетоглікогенні амінокислоти – використовуються і для синтезу глюкози, і для синтезу кетонових тіл. Кетогенні амінокислоти – під час катаболізму перетворюються у ацетоацетат або ацетил-КоА, можуть бути джерелом кетонових тіл. аланін гліцин цистеїн серин треонін ГЛЮКОЗА кетонові тіла ПІРУВАТ оксалоацетат аспарагін аспартат аспартат фенілаланін тирозин фумарат ацетил-КоА ЦТК сукцинат α-кетоглутарат ацетоацетат триптофан лейцин ізолейцин лейцин лізин фенілаланін тирозин валін глутамат, глутамін метіонін гістидин, пролін треонін аргінін ізолейцин Вуглецеві скелети, що утворилися з амінокислот після відщеплення амінокислоти аміаку,здатні через α-кетокислоти вуглецеві вступати у ЦТК і окиснюватися до біосинтез NН3 скелети вуглекислого газу і води. Але організму амінокислот, не вигідно «спалювати» настільки нуклеотидів α-кетокислоти корисні молекули. Головним карбамоїлфосфат Цикл метаболічним шляхом для них є їхнє регенерації Цикл перетворення у глюкозу - глюконеогенез. ЦТК аспартату сечовини Аміак, що утворюється, викорисіз фумарату товується для біосинтезу різноманітних оксалоацетат азотвмісних сполук або виводиться із сечовина організму у вигляді в сечовини. глюкоза СО2 Н2О АТФ 111 ДЕКАРБОКСИЛЮВАННЯ АМІНОКИСЛОТ СОО Н Н2N СН R амІнокислота ПАЛФ декарбоксилаза СО2 + Н2N СН2 R біогенні амінифізіологічно активні речовини СО2 триптамін триптофан окситриптофан СО2 серотонін СО2 гістидин гістамін СО2 γ-аміномасляна кислота ГАМК глутамат СО2 тирозин ДОФА дофамін 112 норадреналін адреналін Деякі амінокислоти підлягають декарбоксилюванню – відщепленню α-карбоксильної групи з утворенням СО2 і біогенних амінів – фізіологічно активних речовин (гормонів, нейромедиаторів тощо). Деякі біогенні аміни входять до складу інших біомолекул. Наприклад, етаноламін входить до складу фосфоліпідів. Реакції декарбоксилювання амінокислот α-декарбоксилази L-амінокислот, які характеризуються стереоспецифічністю. Ці ферменти не діють не на D-ізомери амінокислот. Коферментом α-декарбоксилаз є піридоксальфосфат. Відомо більш 40 біогенних амінів, серед яких найбільш важливми є наступні: Серотонін нейромедіатор центральної нервової системи, утворюється у гіпоталамусі. утворюється у опасистих клітинах сполучної тканини, секретується у кров при пошкодженні тканин (травми, опіки). Функції гістаміну: спричинює розширення судин, набряки, почервоніння шкіри; приймає участь у розвитку алергічних реакцій; стимулює серецію шлункового соку, слини; зменшує артеріальний тиск, але підвищує внутрішньочерепний тиск; скорочує гладенькі м’язи легень легень; .є нейромедіатором центральної нервової системи. важливий гальмівний нейромедіатор вищих відділов мозку. У γ-аміномасляна вигляді лікарських засобів гамалону й аміналону ГАМК кислота (ГАМК) використовується при порушенні мозкового кровообігу, депресіях, приступах епілепсії. медіатор середнього відділу мозку. Недостатність дофаміну у чорній Дофамін субстанції мозгу (наприклад, внаслідок зниження активності ДОФАдекарбоксилази) спричинює хворобу Паркінсона. Норадреналін гальмівний медіатор симпатичної нервової системи у різних відділах головного мозку, але може бути збуджувальним медіатором у гіпоталамусі.Зменшення вмісту норадреналіну та дофаміну у нервових клітинах може призводити до депресії. гормон інтенсивної фізичної праці, стреса, регулює основний Адреналин обмін, підсилює скорочення сердечного м’яза, підвищує артеріальний тиск. Гістамін Знешкодження біогенних амінів 1. Окисненя (з дезамінуванням) під дією моноамінооксидаз (МАО): NН3 Інгібітори МАО – депреніл, R СН2 NН2 R СН O ніаламід, піразидол моноамінооксидаза використовуються при ліку(ФАД) ванні хвороби Паркінсона 2. Метилювання за участю SAM - для гістаміну, адреналіну, норадреналіну: адреналін метиладреналін 113 Особливості обміну ароматичних амінокислот у різних органах фенілаланін фенілкетонурия фенілаланінгідроксилаза О2 НАДФН+Н+ тирозинемія III тирозинтрансаміназа п-оксифенілпіруватоксидаза адреналін норадреналін НАДФ+ Н2О тирозин тирозинемія II Наднирники ДОФА дофамін альбінізм п-оксифенілпіруват О2 СО2 Шкіра меланіни Щитоподібна залоза йодтироніни (тироксин) Фенілаланін – незамінна амінокислота, тирозин – умовно замінна, синтезується тільки із фенілаланіну. гомогентизинова кислота Катаболізм цих амінокислот відбувається у печінці. У гомогентизаталкаптонурія О2 діоксигеназа процесі катаболізму утворюються фумарат, який може фумарилацетоацетат використовуватися у глюконеогенезі, та ацетоацетат фумарилтирозинемія I ацетоацетаза кетонове тіло. Обидві ароматичні амінокислоти є фумарат ацетоацетат кетоглікогенними. Порушення обміну ароматичних амінокислот, - ензимопатії, – пов’язані із генетичними дефектами ферментів їхнього метаболізму. Фенілкетонурія – фенілаланін накопичується у крові, з сечею виводяться фенілкетони у великих кількостях, котрі утворюються з надлишкового фенілаланіну. Захворювання характеризується затримкой розумового (фенілпіровиноградна олігофренія) та фізичного розвитку. Алкаптонурія – накопичується гомогентизинова кислота, котра забарвлює сечу у чорний колір.При великій кількості пігменти відкладаються у склерах, хрящах. Альбінізм – порушення синтезу пігментів меланінів у шкірі, волоссі, сітківці. Тирозинемії – ряд ензимопатій, пов’язаних з накопиченням тирозину, надлишок 114 якого негативно впливає на розвиток дитини. глюкоза Обмін гліцину та серину N5,N10(СН2)ТГФК ТГФК 3-фосфогліцерат сериноксиметилтрансфераза СН2ОН серин гліцин синтез гему синтез креатину синтез пуринових синтез парних жовчних кислот нуклеотидів Гліцин і серин – замінні амінокислоти, вони можуть синтезуватися із глюкози. Обидві амінокислоти необхідні для синтезів багатьох життєво необхідних біологічних речевин. Гліцин і серин є джерелами одновуглецевих залишків, які переносяться за допомогою тетрагідрофолієвої кислоти N5,N10(- СН2 -)ТГФК, і використовуються у унікальних реакціях синтезів метіоніну, пуринових нуклеотидів, тіміділату та інших сполук. синтез глутатіону піруват ТГФК НАД+НАДН+Н+ НСООН гліциноксидаза гліоксилат гліцин N5,N10(-СН2- )ТГФК оксалат Обмін метіоніну Ф+ФФ Н3С метіонін метіонінаденозилтрансфераза АТФ ТГФК Вітамін В12 1 4 СН3 S-аденозилметіонін (SAM) R 2 метилтрансферази R-СН3 3 N5(-СН3) ТГФК гомоцистеїн аденозин Н2О аденозин S-аденозилгомоцистеїн Метіонін – незамінна амінокислота, котра у вигляді метіоніл-тРНК приймає участь у ініціації біосинтеза білків. Особлива роль метіоніну полягає у тому, що він у вигляді своєї активної форми S-аденозилметіонину (SAM) є донором метильних груп для утворення різноманітних сполук (R-СН3) у реакціях трансметилювання (реакція 2). До цих сполук належать фосфатидилхолін, креатин, адреналін, карнітин тощо. 115 Тести з теми “Обмін простих білків” 1. Метильні групи (-СН3) використовуються в організмі для синтезу таких важливих сполук, як креатин, холін, адреналін, інші. Джерелом цих груп є одна з незамінних амінокислот, а саме A. Лейцин B. Валін C. Метионін D. Ізолейцин E. Триптофан 2. У крові хворого на рак сечового міхура знайдено високий вміст серотоніну. З надлишком надходження в організм якої амінокислоти це пов’язано? A. Триптофану B. Аланіну C. Гістидину D. Метіоніну E. Тирозину 3. До лікаря звернувся чоловік 33 роки із скаргами на болі в суглобах. При огляді пацієнта виявлено пінгментацію склери і вушних раковин. При аналізі сечі встановлено, що в лужному середовищі і на повітрі вона чорніє. Найбільш ймовірним діагнозом є: A. Фенілкетонурія B. Цистиноз C. Альбінізм D. Алкаптонурія E. Тирозиноз 4. У немовляти на 6 день життя в сечі виявлено надлишок фенілпірувату та фенілацетату. Обмін якої амінокислоти порушено в організмі дитини? A. Триптофану B. Фенілаланіну C. Метіоніну D. Гістидину E. Аргініну 5. При захворюваннях підшлункової залози порушується утворення та секреція трипсину. Назвіть процеси, які порушені при цьому. A. Гідроліз білків B. Гідроліз ліпідів C. Гідроліз вуглеводів D. Гідроліз нуклеїнових кислот E. Гідроліз фосфоліпідів 116 Еталони відповідей: 1- С; 2 – А; 3 – Д; 4 – В; 5 – А. 6. У немовляти на 6 день життя в сечі виявлено надлишок фенілпірувату та фенілацетату. Обмін якої амінокислоти порушено в організмі дитини? A. Фенілаланін B. Триптофан C. Метіонін D. Гістидин E. Аргінін 7. Альбіноси погано переносять сонячний загар, з'являються опіки. Порушення метаболізму якої амінокислоти лежить в основі цього явища? A. Фенілаланіну B. Метіоніну C. Триптофану D. Глутамінової кислоти E. Гістидину 8. При захворюваннях підшлункової залози порушується утворення та секреція трипсину.Назвіть речовини, травлення яких порушене? A. Гідроліз білків B. Гідроліз ліпідів C. Гідроліз вуглеводів D. Гідроліз нуклеїнових кислот E. Гідроліз фосфоліпідів 9. При визначенні залишкового азоту знайшли, що азот сечовини значно знижений. Для захворювання якого органа це характерно? A. Печінки B. Мозку C. Серця D. Кишечнику E. Шлунка 10. У хворого з черепномозковою травмою спостерігаються епілептиформні судомні напади, що регулярно повторюються. Утворення якого біогенного аміну порушено при цьому стані. A. ГАМК. B. Гістамін. C. Адреналін. D. Серотонін. E. Дофамін. 117 11. При алкаптонурії у сечі хворого знайдено велику кількість гомогентизинової кислоти (сеча темніє на повітрі). Вроджений дефект якого ферменту має місце. A. Оксидази гомогентизинової кислоти. B. Аланінамінотрансферази C. Тирозинази D. Фенілаланін-4-монооксигенази E. Тирозинамінотрансферази 12. У немовляти спостерігаються епілептиформні судоми, викликані дефіцитом вітаміну В6. Це спричинено зменшенням у нервовій тканиніі гальмівного медіатора - гамма-аміномасляної кислоти. Активність якого ферменту знижена: A. Глутаматдекарбоксилази B. Аланінамінотрансферази C. Глутаматдегідрогенази D. Піридоксалькінази E. Глутаматсинтетази 13. При хронічному панкреатиті спостерігається зменшення синтезу і секреції трипсину. Травлення яких речовин порушене? A. Білків B. Полісахаридів C. Ліпідів D. Нуклеїнових кислот E. Жиророзчинних вітамінів 14. Внаслідок попадання окропу на руку уражена ділянка шкіри почервоніла, набрякла, стала болючою. Яка речовина може привести до такої реакції? A. Гістамін B. Лізин C. Тіамін D. Глутамін E. Аспарагін 15. У немовля спостерігається потемніння склер, слизових оболонок, вушних раковин, виділена сеча темніє на повітрі. У крові та сечі виявлено гомогентизинову кислоту. Який найбільш імовірний симптом? A. Алкаптонурія B. Альбінізм C. Цистинурія D. Порфірія E. Гемолітична анемія 118 ОБМІН НУКЛЕОТИДІВ Нуклеотиди – це трьохкомпонентні сполуки, що складаються з азотової основи пуринового або піримідинового ряду, залишків пентози (рибози або дезоксирибози) і залишку фосфорної кислоти: азотова основа пентоза фосфат нуклеозид Структура пуринових та піримідинових нуклеотидів азотові основи : пурин: пентози: аденін фосфат ОН гуанін рибоза Р Н піримідин: цитозин тимін урацил дезоксирибоза Дезоксирибонуклеотиди: дАМФ дГМФ дТМФ дЦМФ дезоксиаденозинмонофосфат дезоксигуанозинмонофосфат дезокситимідинмонофосфат дезоксицитидинмонофосфат дезоксиаденілова кислота дезоксигуанілова кислота дезокситимідилова кислота дезоксицитидилова кислота Рибонуклеотиди: АМФ ГМФ УМФ аденозинмонофосфат аденілова кислота гуанозинмонофосфат гуанілова кислота уридинмонофосфат уридилова кислота ЦМФ цитидинмонофосфат цитидилова кислота119 Перетравлення нуклеопротеїнів Це гідролітичний розпад під дією ферментів шлункового і кишкового соків. В шлунку нуклеопротеїни (хроматин і рибосоми) розпадаються на нуклеїнові кислоти (ДНК та РНК) та протеїни за допомогою ферментів і соляної кислоти : НСl ДНК Протеїны гистоны Дезоксирибонуклеопротеїн (хроматин) пепсин Пептоны НСl ДНК, РНК Рибонуклеопротеїн (рибосоми) В кишечнику пептиди розпадаються далі до вільних амінокислот. Гідролітичний розпад ДНК і РНК здійснюється в тонкому кишечнику за допомогою ендонуклеаз ДНК-ази і РНК-ази підшлункового соку до олігонуклеотидів, а потім фосфодіестеразами - до мононуклеотидів: ДНК-аза РНК-аза У А нуклеотидаза (фосфатаза) Т Г азотова основа: Р Г С мононуклеотид ДНК 120 Мононуклеотиди, що утворилися, далі можуть розщеплюватися неспецифічною фосфатазою, (нуклеотидазою) з утворенням вільної фосфорної кислоти та нуклеозидов. Всмоктуються головним чином нуклеозиди. РНК Біосинтез пуринових нуклеотидів Шлях біосинтезу азотових основ нуклеотидів вельми складний, але цей процес життєво необхідний майже для всіх клітин. СО2 гліцин аспартат 6 5 1 2 3 4 7 9 8 ТГФК ТГФК Походження атомів азоту і вуглецю в пуриновому кільці Єдиним крупним попередником є гліцин, з якого походять С-4, С-5 і N-7, інші атоми кільця поставляються окремо: N-1 – від амінокислоти аспартат, N-3 і N-9 від амідного азоту глутаміну, а атоми вуглецю С6– від СО2, С-2 і С-8 – від активних форм фолієвої кислоти – N10-форміл-ТГФК і N5-метеніл-ТГФК глутамін Синтез пуринових нуклеотидів починається з рибозо-5-фосфата, який утворюється з глюкози в результаті пентозофосфатного шляху. Саме на цьому метаболіті, як на фундаменті, потім, крок за кроком формується пуринове кільце. Р Р АТФ глюкоза Н Р (ФРПФ-синтетаза) фосфорибозилпірофосфат (ФРПФ) рибозо-5-фосфат Рібозо-5-фосфат активується в 1положенні з утворенням ФРПФ, який далі перетворюється у фосфорибозиламін, в якому атом азоту в NH2-группі буде N-9 атомом пуринового кільця, що синтезується (в ході 9 подальших реакцій). 5АТФ інозинмонофосфат (ІМФ) Р 9 реакцій Р Р глн ФРПФ-амідотрансфераза глу Р фосфорибозиламін 121 В результаті послідовної збірки пуринового кільця на фундаменті фосфорибози утворюється перший пуриновий нуклеотид – ІМФ – інозинмонофосфат, який не входить до складу нуклеїнових кислот, а є попередником АМФ і ГМФ. ІМФ не нагромаджується в клітці, а швидко перетворюється в нуклеотиди: АМФ – аденозинмонофосфат з участю аспартата і енергії ГТФ ГМФ – гуанозинмонофосфат з участю глутаміна і енергії АТФ. аспартат НАД+ ГТФ Н2О рибоза НАДН+ Р ІМФ Р рибоза Основне місце біосинтезу пуринових нуклеотидів – це печінка. Вона забезпечує пуринами тканини, які не здатні до їх синтезу: еритроцити поліморфно-ядерні лейкоцити і, частково, мозок ксантозилмонофосфат глн АТФ глу рибоза Р рибоза Р аденілосукцинат фумарат рибоза Р АМФ ГМФ Далі відбувається фосфорилювання нуклеотидів з утворенням субстратів, з яких надалі може синтезуватись РНК: АМФ 122 ГМФ кіназа кіназа АДФ ГДФ кіназа кіназа АТФ на синтез РНК ГТФ Регуляція синтезу пуринових нуклеотидів Рибозо-5-фосфат ФРПФ Фосфорибозиламін ІМФ АМФ ГМФ АДФ ГДФ АТФ ГТФ Здійснюється за принципом зворотного зв'язку («ретроконтроль»). Причому, АМФ і ГМФ гальмують як свій власний синтез з ІМФ, так і інгібірують загальний етап перетворення ФРПФ у фосфорибозиламін. АДФ і ГДФ негативно впливають на утворення загального попередника – ФРПФ. В той же час, АТФ позитивно впливає на синтез ГМФ, а ГТФ – на синтез АМФ. Ця регуляція здійснюється через ключові ферменти синтезу пуринів за основним шляхом: ФРПФ-синтетазу (пірофосфокиназа) і ФРПФ-амідотрансферазу при одночасному підвищенні концентрації АМФ і ГМФ. Для збалансованого вмісту аденілових і гуанілових нуклеотидів використовуються регуляторні ферменти: аденілосукцинатсинтетаза і ІМФ-дегідрогеназа. Реутилізація пуринових основ - запасний шлях синтезу - «шлях спасіння» Р Р ФРПФ аденін аденінфосфорибозилтрансфераза АМФ Р Р ФРПФ ГМФ гуанін гуанін(гіпоксантин) фосфорибозилтрансфераза Р Р ФРПФ гіпоксантин ІМФ гуанін(гіпоксантин) фосфорибозилтрансфераза Нуклеотиди відносяться до найбільш складних метаболітів, у зв'язку з чим їх біосинтез вимагає багато часу і високих витрат енергії. Тому в процесі обміну речовин нуклеотиди не на всі 100% руйнуються до кінцевих продуктів і виводяться з організму. В більшій мірі це відноситься до пуринових основ. Близько 90% аденіну і гуаніну в еритроцитах, лейкоцитах і клітинах головного мозку знову перетворюються в нуклеозидмонофосфати (тобто нуклеотиди), в одну стадію приєднуючи рибозу і фосфат від фосфорибозилпірофосфата (ФРПФ) Таким чином, пуринові основи можуть бути повторно використаними в синтезі нуклеїнових кислот (реутилізовані), що дає від 10 до 20% загальної кількості нуклеотидів. 123 Розпад пуринових нуклеотидів ДНК і РНК, після виконання своїх функцій (біосинтезу білка), розпадаються в тканинах до мононуклеотидів за допомогою тканинних ферментів ДНК-ази і РНКази. Мононуклеотиди, що утворилися гідролітично втрачають фосфатний залишок під дією нуклеотидаз з утворенням нуклеозидів. Далі ці нуклеозиди (аденозин і гуанін), а також харчові пуринові нуклеозиди, що потрапили з кишечнику, розпадаються в тканинах до сечової кислоти, яка потрапляє в кров і виводиться через нирки з сечею. рибоза NН2 Н2О ОН NН3 ОН аденозиндезаміназа рибоза аденозин гіпоксантин інозин ксантиноксидаза рибоза ОН Н2 N гуанозин рибоза ОН ОН Н2 N гуанін Н2О Н NН3 гуаназа (гуаніндезаміназа) НО ксантин аллопуринол В нормі вміст сечової кислоти в сироватці крові складає 0,15– 0,42 ммоль/л, в добовій сечі - 400-600мг. При підвищенні концентрації сечової кислоти в крові (гіперурікемія) вона випадає в осад з утворенням кристалів солей сечової кислоти (уратів) в суглобових хрящах і синовіальній оболонці; при цьому утворюється також каміння в нирках. Це викликає запальний процес, що часто супроводжується больовим синдромом. Найчастішим клінічним проявом гіперурікемії є подагра. Основний лікарський препарат, який використовується для лікування подагри- аллопуринол – структурний аналог пурину. Він є конкурентним інгібітором ксантиноксидази. 124 О ксантиноксидаза О ОН ОН НО сечова кислота Схема синтеза і розпаду пуринових нуклеотидів Рибозо-5-фосфат ФРПФ 5-фосфорибозиламін ІМФ ГМФ гуанозин реутилизація пуринів АМФ ФРПФ аденін інозин аденозин ФРПФ гуанін При підвищенні ферментативної активності білків-учасників синтезу пуринових нуклеотидів або зниженні їх чутливості до аллостеричних ефекторів порушується ретро-контроль цього синтезу. При цьому ті, що надмірно синтезуються, підлягають катаболізму, отже, утворення сечової кислоти (урікогенез) підвищується, виникає гіперурікемія. Напр, при гіперактивності ФРПФсинтетази розвивається гіперурікемія, подагра, уролітіаз та глухота. гіпоксантин ксантин сечова кислота Причиною гіперурікемії може бути також порушення реутилізації пуринових основ (повторного використання в синтезі ДНК) через генетичні дефекти ферментів реутилізації. При цьому аденін, гуанін і гіпоксантин не використовуються повторно, а повністю перетворюються на сечову кислоту, тобто її концентрація збільшується При спадковому дефіциті або відсутності ферменту гіпоксантин-гуанінфосфорибозилтрансферази виникає синдром Леша – Ніхана, що виявляється тільки у хлопчиків підвищеною екскрецією сечової кислоти, важкою розумовою відсталістю, нападами агресивної поведінки зі схильністю до самоушкодження. 125 NН3 + СО2 (глутамін) 1 Синтез піриміидинових нуклеотидів 2АТФ Регуляторні ферменти синтезу: 1 карбамоїлфосфатсинтетаза (інгібітор УТФ); 2 • аспартаткарбамоїлтрансфераза 2АДФ карбамоїл фосфат НАД+ НАДН+ Н2О 2 аспартат 3 карбамоїласпартат 4 дигідрооротова кислота оротова кислота оротидил- 5 фосфорибозилтрансфераза Оротацидурія – спадкове захворювання, яке пов'язане з порушенням перетворення оротової кислоти в УМФ. З сечею виділяється в 1000 разів більше оротату, ніж в нормі, порушується синтез ДНК. Виявляється розумовою відсталістю і важкою мегалобластичною анемією. Лікують «вдарними дозами» уридину (до 1г в доба.) ФРПФ Р Р ЦТФ Р рибоза рибоза ОМФ глу 9 ОМФ6 декарбоксилаза АДФ СО2 глн АТФ УТФ АДФ 8 АТФ УДФ АТФ АДФ 7 рибоза УМФ Р На відміну від пуринових, в синтезі піримідинових нуклеотидів спочатку будується вільне піримідинове кільце, а потім до нього приєднується рибозо-5-фосфат. Джерелами атомів піримідинового кільця є глутамін, вугільна кислота і аспартат. Спочатку з амідного азоту глутаміну, CO2 і АТФ утворюється карбамоїлфосфат (як і в синтезі сечовини). Потім до нього приєднується аспартат, в наступній реакції замикається цикл з утворенням дигидрооротата, який дегидрується в оротову кислоту - піримідинова снова. Далі до неї приєднується фосфорибоза з ФРПФ і утворюється перший піримідиновий нуклеотид ОМФ – оротидилмонофосфат, з якого утворюється УМФ, а потім ЦТФ. 126 Біосинтез дезоксирибонуклеотидів азотова основа Р Р Р Р Н ОН нуклеозиддіфосфат (АДФ, ГДФ, ЦДФ, УДФ) азотова основа НАДФН+ НАДФ+ дезоксинуклеозиддіфосфат (дАДФ, дГДФ, дЦДФ, дУДФ) Проліферуючі клітини для реплікації генома потребують, як субстрати для синтезу ДНК, дезоксинуклеозидтрифосфати. Відновлення рибози в дезоксирибозу відбувається тільки у складі нуклеозидди-фосфатів, причому, безпосереднім відновником є невеликий білок тіоредоксин, а відновні еквіваленти постачаються НАДФН+. Біосинтез тимідинмонофосфата 5-фторурацил СН3 N,N-метеніл ТГФК дУМФ ДГФК дТМФ аміноптерин метотрексат ТГФК Для синтезу ТМФ необхідно ввести в дУМФ метильну групу (-CH3). Її донором є метеніил-ТГФК (фактор росту!) за участю Vit B12, а каталізує цю реакцію тимідилатсинтаза. При цьому метеніл-ТГФК, віддаючи метильную групу, перетворюється в дигидрофолат (ДГФК), яка відновлюється в ТГФК за допомогою дигидрофолатредуктази. Щоб ТГФК знову перетворилася на «носія» метильної групи, необхідний серин, як донор цього одновуглецевого фрагменту. Ферменти, що беруть участь в цьому процесі і контролюють синтез ТМФ, а, значить, і синтез ДНК, є важливими мішенями для дії цитостатиків (5-фторурацил, метатрексат, аміноптерин). 127 ОБЩАЯ СХЕМА СИНТЕЗА И РАСПАДА НУКЛЕОТИДОВ глоюкоза глюкоза амінокислоти аминокислоты СОСО 2 2 АТФ синтез de novo витамины вітамини Пуринові та піримідинові нуклеотиди (нуклеозидмонофосфати) АТФ дАТФ, дАТФ,дГТФ, дГТФ, дТТФ, дТТФ,дЦТФ дЦТФ нуклеозидтрифосфаты нуклеозидтрифосфати транскрипція т-РНК т-РНК м-РНК м-РНК р-РНК р-РНК АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ білок трансляція Розпад тканей нуклеопротеин протеїни ы їжі пищи пуринові таипіримідинові пуриновые пиримидиновые нуклеотиді нуклеотиды (АМФ, ГМФ, ГМФ,ТМФ,УМФ,ЦМФ) ТМФ, УМФ, ЦМФ) пуриновые пуринові нуклеозиди нуклеозиды (аденозин, гуанозин) аденин аденін гуанин гуанін мочевая сечова кислота кислота 128 піримідинові нуклеозиди пиримидиновые нуклеозиды (тимідин, (тимидин,уридин, уридин,цитидин) цитидин) тимин тимін урацил сечовина Виведення з організма цитозин + β-аланін Тести з теми “Обмін нуклеотидів” 1. Затримка поділу клітин злоякісних пухлин відбувається під впливом препаратів, які блокують синтез дТМФ, інгібуючи тимідилатсинтазу. Виберіть сполуку, яка може впливати таким чином: A.Тимін B. Гіпоксантин C. Дигідрооротат D. Аденілосукцинат E. 5-Фторурацил 2. Похідні птерину – аміноптерин і метатрексат – є конкурентними інгібіторами дігідрофолатредуктази, внаслідок чого вони пригнічують регенерацію тетрагідрофолієвої кислоти з дигідрофолату. Біосинтез якого нуклеотиду при цьому пригнічується? A. дТМФ B. ІМФ C. УМФ D. ОМФ E. АМФ 3. На прийом до терапевта прийшов чоловік 37 років зі скаргами на періодичні інтенсивні больові приступи у суглобах великого пальця стопи та їх припухлість. При аналізі сечі встановлено її різко кислий характер і рожеве забарвлення. З наявністю яких речовин можуть бути A. Фосфат кальцію B. Хлориди C. Амонієві солі D. Солі сечової кислоти E. Сульфат магнію 4. У хворої суглоби збільшені, болючі.У крові пацієнтки підвищений рівень уратів.Як називається така патологія? A. Рахіт B. Подагра C. Скорбут D. Пелагра E. Каріес 5.У хворого болі у дрібних суглобах, суглоби збільшені.У сироватці крові підвищений вміст уратів.Обмін яких речовин порушений? A. Пуринів B. Амінокислот C. Дисахаридів D. Піримідинів E. Гліцерину 129 6. У дитини спостерігається затримка росту і розумового розвитку, з сечею виділяється велика кількість оротової кислоти. Ця спадкова хвороба розвиваєтья внаслідок A. Синтезу піримідинових нуклеотидів B. Розпаду піримідинових нуклеотидів C. Синтезу пуринових нуклеотидів D. Розпаду пуринових нуклеотидів E. Перетворення рибонуклеотидів у дезоксирибонуклеотиди 7. У хворого 50 років діагностовано подагру, а в крові виявлено гіперурикемію. Обмін яких речовин порушений : A. Пуринів B. Жирів C. Амінокислот D. Вуглеводів E. Піримідину 8. Хворий 48 років звернувся до лікаря зі скаргами на сильні болі, припухлість, почервоніння в ділянках суглобів, підвищення температури до 38оС. В крові виявлено високий вміст уратів. Ймовірною причиною такого стану може бути порушення A. Пуринів B. Колагену C. Холестерину D. Піримідинів E. Вуглеводів 9. У чоловіка 53 років діагностовано сечокам’яну хворобу з утворенням уратів. Цьому пацієнту призначено аллопурінол, який є конкурентним інгібітором фермента: A. Ксантиноксидази B. Уреази C. Уратоксидази D. Дигідроурацилдегідрогенази E. Уридилілтрансферази 130 Еталони відповідей: 1- Е; 2 – А; 3 – Д; 4 – В; 5 – А. МОЛЕКУЛЯРНІ АСПЕКТИ ПЕРЕДАЧІ ГЕНЕТИЧНОЇ ІНФОРМАЦІЇ Генетична інформація зберігається в клітинних ядрах. Вона зашифрована у вигляді послідовності нуклеотидів в первинній структурі ДНК. Первиння структура ДНК – це певна послідовність дезоксирибонуклеотидів в полінуклеотидному ланцюзі, зв'язаних 3’,5’фосфодиефірними зв'язками. На 5’-кінці знаходиться фосфатна група на 3’-конце – ОН-група пентози. Вторина структура ДНК На 5’-кінці знаходиться фосфатна група на 3’-кінці – ОН-група пентози. - це подвійна спіраль, утворена двома полінуклеотидними ланцюгами, закрученими навкруги загальної осі і розташованими антипаралельно. Ланцюги утримуються за рахунок водневих зв'язків між нуклеотидами, що комплементарні - А -Т і G-C, та лежать в одній площині (перпендикулярної осі). Спіраль стабілізована гідрофобними взаємодіями між основами. Ланцюги комплиментарні, але не ідентичні один одному, їх склад розрізнений. 131 • Кожна молекула ДНК упакована в окрему хромосому, яка містить також різноманітні білки, тобто ДНК знаходиться в клітині в комплексі з білками, утворюючи нуклеопротеїн - хроматин або хромосоми. Отже, в кожній хромосомі знаходиться одна гиганська ДНК, в середньому що містить 150 млн нуклеотидних пар, довжина молекули 3-5 см. Величина хромасомы - 1нм, тобто ДНК суперспіралізована, лінійний розмір кожної молекули ДНК зменшується в 8000 разів! • Склад хроматину: ДНК -­‐ 30-­‐40% гістоны -­‐ 30-­‐50% -­‐ основні білки невеликого розміру з високим вмістом позитивно заряджених амінокислот -­‐ аргініну і лізину. Є 5 типів гистонів: Н2А, Н2В, Н3, Н4 -­‐ утворюють нуклеосоми, які складаються з 146 пар нуклеотидів ДНК (заряджених негативно) і восьми гістонів, що мають позитивний заряд. Н1 -­‐ зв'язуються з ДНК в міжнуклеосомних ділянках (лінкерних послідовностях) і захищають їх від дії нуклеаз негістонові білки (кислі)-­‐ 4-­‐33% -­‐це регуляторні білки та ферменти РНК -­‐ 1.5-­‐10% Гаплоїдний геном кожної клітини людини включає 3,5 10 пар основ (23 пари хромосом) достатньо для 1,5 млн пар генів, а кодується тільки 100000 білків 132 Функції ДНК Генетична інформація, що закладена в ДНК, служить двом метам: 1 -­‐ передача генетичної інформації дочірньої ДНК при розподілі клітини, тобто передача самої себе у ряді клітинних поколінь і поколінь організмів; 2 -­‐ для біосинтезу білкових молекул, тобто передача генетичної інформації на РНК в процесі життєдіяльності Обидві функції засновано на тому, що молекула ДНК служить матрицею: в першому випадку для реплікації, в другому -­‐ для транскрипції. Нуклеїнові кислоти і білки називають інформаційними молекулами, оскільки в чергуванні їх мономерів закладено певне значення. Послідовність нуклеотидів в ДНК визначає структуру всіх білків клітки. Ділянки ДНК (гени), кодуючі певні білки, копіюються (транскрибіруються) у вигляді полінуклеотидного ланцюга матричної РНК, яка потім служить матрицею для синтезу білка. Таким чином, генетична інформація, записана в ДНК (в генотипі) забезпечує утворення фенотипічних ознак клітини, тобто генотип трансформується у фенотип. Цей напрямок потоку інформації включає три типи матричних синтезів. Експресія генів: транскрипція трансляція Потік генетичної інформації: 1 ДНК рРНК 2 мРНК 3 білок ДНК тРНК 1 – репликація-­‐ синтез ДНК на матриці ДНК 2 -­‐ транскрипція-­‐синтез РНК на матриці ДНК, зворотня транскрипція -­‐ синтез ДНК на матриці РНК (онковіруси) 3 -­‐ трансляція -­‐ синтез білка на матриці РНК РНК білок 133 РЕПЛІКАЦІЯ – процес подвоєння ДНК, суть якого складається в утворенні ідентичних копій ДНК для передачі генетичної інформації в поколіннях клітин та організмів. Принципы репликации: Комплементарність Антипаралельність Уніполярність Потреба в затравці Преривистість Полуконсервативність Реплісома- мультиферментний комплекс -­‐ ДНК-­‐репліказная система, яка включає біля 20 ферментв і білкових факторів: 1 2 3 5 4 6 1 - топоізомераза (гіраза) - зворотня нуклеаза, спочатку вона розриває ланцюг ДНК, а після закінчення реплікації зашиває тимчасові надрізи, розкручує суперспіраль ДНК і виконує “шарнірну функцію” - перешкоджає обертанню суперспіралізованого ланцюга, (вносить одноланцюгові розриви в ланцюг ДНК і тут же її репарує.) 2 - хеліказа - використовує енергію АТФ для розплітання подвійної спіралі ДНК, розриває водневі зв'язки між компліментарними нуклеотидами в подвійному ланцюзі ДНК (застібка “блискавка”) 3 - ДНК-залежна РНК-полімераза (праймаза) - синтезує праймер олігорибонуклеотид, який є затравкою для ДНК-полімерази III 4 - ДНК- полимераза I (фермент Корнберга)- розщеплює праймер (володіє нуклеазною активністю) і на його місці синтезує компліментарний ланцюг ДНК (володіє полімеразною активністю), заповнює проломи. 5 - ДНК-полімераза III -основний фермент реплікації - синтезує компліментарні дочірні ланцюги на материнських ланцюгах, що розійшлися, у напрямі 5’ → 3’. Вона не здатна ініціювати синтез нового ланцюга ДНК, може лише подовжувати затравку-праймер. Утворює 3,5фосфоефірні зв'язки між нуклеотидами, використовуючи як субстрати нуклеозидтрифосфати (НТФ). 6 - ДНК-лігаза зшиває фрагменти синтезованої дочірньої ДНК. 134 Сумарне рівняння реплікації: n дАТФ ДНК-­‐матрица дАМФn n дГТФ ДНК дГМФn + (n+n+n+n) ФФ n дЦТФ ДНК-­‐полімераза дЦМФn n дТТФ дТМФn Синтез кожного дочірнього ланцюга ДНК іде комплементарно та антипараллельно до матричного ланцюга, та завжди в напрямку 5' →3'. Для реплікації є необхідним ряд умов: наявність дезоксирибо-­‐ нуклеотидтрифосфатів (дАТФ, дГТФ, дЦТФ. дТТФ), як структурного матеріалу при збірці нових ланцюгів ДНК і як джерела енергії розплетення подвійної спіралі ДНК, формування реплікативної вилки утворення “затравки” – праймера наявність ферментів та специфічних білків, що приймають участь в реплікації (реплісоми) наявність ионів магнію, що є необхідними для дії всіх полімераз 135 Наявність дезоксирибонуклеотидтрифосфатів (дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ), як структурний матеріал для нових ланцюгів ДНК і як джерела енергії. В даний час процес реплікації у прокариот достатньо вивчений, тоді як багато аспектів реплікації еукаріот залишаються неясними. Проте з великою часткою вірогідності можна стверджувати, що в більшості клітин цей процес протікає подібно В бактеріях реплікація починається із специфічної крапки в кільцевій ДНК (область початку реплікації) і продовжується в обох напрямах. В результаті утворюються дві репликативні вилки, які просуваються в протилежних напрямках, тобто обидва ланцюги репліцируються одночасно ЭТАПИ РЕПЛІКАЦІЇ 1. Ініціація ДНК-полімераза не здатна починати синтез нового ланцюга з її першого нуклеотида. Вона може подовжувати вже наявний ланцюг, тому для початку реакції потрібна РНКприманка (праймер), якою є короткий олігорибонуклеотид (100-200 нуклеотидов), комплементарний до матричного ланцюга ДНК. Синтез починається з реакції між 3’ОН групи РНК-приманки та 5’-ОН-фосфатної групи дезоксинуклеозидтрифосфата з видаленням пірофосфату. Вибір чергового нуклеотида на кожному кроці синтезу визначається матричним ланцюгом ДНК згідно правилу комплементарности (Уотсон і Крик, 1953 р.) 2. Елонгація Реплікація на двох антипаралельних ланцюгах відбувається одночасно. Проте, у напрямку 3’→5’ синтез йти не може, тому на одному ланцюзі - лідируючому полімеризація йде безперервно, а на другому – що запізнюється - синтез йде фрагментами Оказаки по 150 - 200 нуклеотидів проти руху реплікативної вилки. Кожний такий фрагмент містить праймер, який видаляє ДНК-полімераза I, поступово відрізуючи від 5’-кінця поодинці рибонуклеотиди, а до 3’-концу фрагмента вона приєднує дезоксирибонуклеотиди, заповнюючи пролом. Зшиває фрагменти ДНКлігаза. 3. Термінація Закінчується реплікація тоді, коли вся матриця скопійована. В утвореній таким чином подвійній спіралі ДНК тільки один з ланцюгів синтезований наново. Тому говорять, що реплікація ДНК відбувається по напівконсервативному механізму. У E.coli петля росте із швидкістю 1000 пара нуклеотидів за секунду. Для реплікації всієї молекули хромосомної ДНК цієї бактерії необхідні 42 хвилини. У еукаріот реплікативна петля росте із швидкістю 100 п.н. в секунду. Ймовірно, це пов'язано з наявністю зв'язку з гістонами. У людини для повної дуплікації ДНК необхідні 8 годин. 136 РЕПАРАЦІЯ ПОВШКОДЖЕНЬ ТА ПОМИЛОК ДНК Передача генетичної інформації в неспотвореному вигляді -­‐ найважливіша умова збереження вигляду. Це забезпечується за рахунок комплементарности. Проте, можливі як помилки реплікації, так і несприятлива дія навколишнього середовища (радіація, УФ-­‐опромінення, хімічні агенти). Існує спеціальна система моніторингу точності спаровування нуклеотидів, причому здійснюється подвійна перевірка: -­‐ при включенні ДРН в ланцюг, що росте -­‐ після включення ДРН шляхом видалення помилкових нуклеотидів (помилки відбуваються не частіше, ніж 1 разів на 10 пар основ). Причини спонтанних порушень помилки репликації депуринізація з-за слабкої N-­‐гликозидного зв'язку в пуринах дезамінування (Ц У, А Г, Г Х) Причини індукованих порушень алкілірування азотових основ (алкілюючі агенти застосовуються як інгібітори новоутворувань) утворення зшивок -­‐ піримідинових димеров між сусідніми основами (тиміном) під дією УФ-­‐опромінення Репарація – видалення пошкоджених ділянок ДНК або помилково вбудованих нуклеотидів в результаті дії спеціальних ендо -­‐ та екзонуклеаз. Этапи репарації: 1) впізнавання місця пошкодження розщеплювання зв'язку ендонуклеазою 2) добудова -­‐ “латка” -­‐ пошкодженого ланцюгу ДНК-­‐полімеразою 3) відщеплення ушкодженої ділянки ендонуклеазою 4) зшивання 3-­‐кінця латки з 5-­‐кінцем основного ланцюга ДНК-­‐лігазю 137 Порушення репарації УФ-індукованих пошкоджень ДНК (порушення синтезу УФ-специфічної ендонуклеази) приводить до сублетального спадкового захворювання – пігментної ксеродерми. Генні 138 мутації Зміни генетичної програми ДНК клітин - це мутації. Розрізняють хромосомні мутації (зміна числа хромосом, хромосомні аберації) і молекулярні або генні мутації. Генні мутації - це успадковані зміни первинної структури ДНК, які ведуть або до припинення синтезу білка, або до синтезу зміненого, дефектного білка. Мутації в регуляторних ділянках оперона ведуть до порушення регуляції або до припинення синтезу ДНК. Існують наступні варіанти генних мутацій: Транзиція - заміна пар основ Місенс-мутація - приводить до зміни значення кодону при заміні нуклеотида, а, значить, до синтезу зміненого білка. Наприклад, серповидно-клітинна анемія: кодон, що відповідає за включення глу в ланцюг гемоглобіну, перетворюється на кодон вал. Заміна одного нуклеотида не завжди веде до зміни значення кодону (оскільки код вироджений) - така зміна ДНК фенотипічно не виявляється. Нонсенс-мутація - в результаті заміни образуется один з термінуючих кодонів, при цьому синтез белка препиняється та утворюється незавершений білок. Делеція - випадіння однієї пари або групи основ Вставка однієї пари або групи основ. Ці мутації можуть бути як із зміною рамки зчитування (випадання або вставка одного або двох нуклеотидів), що веде до синтезу безглуздого білка, так і без зміни рамки зчитування (три нуклеотиди) - синтезується білок, вкорочений на 1 амінокислоту. Зміна місцеположення окремих ділянок ДНК. Транскрипція – це синтез всіх видів РНК по матриці ДНК, який здійснюється ферментом ДНК-залежною РНК-полімеразою. Молекула ДНК, що береже генетичну інформацію, безпосередньої участі в синтезі білка не приймає, але інформація, що записана в послідовності нуклеотидів ДНК, копіюється (транскрибується) у вигляді м-РНК з подальшою трансляцією в поліпептидний ланцюг білка. Транскрипція, як і реплікація ДНК, ендергічний процес, зв'язаний з використанням нуклеозидтрифосфатів (АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ) в якості субстратів та джерел енергії . Принципи транскрипції: Комплементарність. Антипаралельність. Уніполярність. Беззатравочність. Асиметричність. РНК синтезується комплементарно і антипаралельно ланцюгу ДНК, який транскрибується. Подовження ланцюга РНК йде тільки у напрямку 5' → 3'. Для початку синтезу РНК фермент не потребує полі- або олігонуклеотидну приманку. Ланцюг ДНК, на якому йде транскрипція, називається кодуючим, інший некодуючим. Ділянка ДНК, яка підлягає процесу транскрипції, називається транскриптон (еукаріоти) або оперон (прокаріоти) (300 – 11 10 нуклеотидів) Структура оперона Промотор -­‐ участок оперона, існує для впізнавання ферментом РНКполімеразою. Послідовність основ по ходу ланцюга ДНК, що знаходиться нижче за сайтом промотора в напрямку 3’→ 5’, використовується як матриця для синтезу РНК. До промотора може приєднуватись комплекс цАМФ-БАК - білокактиватор катаболічного гена), що полегшує РНК-полімеразі початок транскрипції структурних генів. 139 Пізнавання і міцне скріплення відбувається на різних ділянках ДНК. Ці ділянки відрізняються і по первинній, і по вторинній структурі. Шляхом секвенірування виявили структуру багатьох промоторів. У більшості з них є загальна властивість. РНК-полімераза впізнає промотор, покриваючи 40-60 пар нуклеотидів. В промоторі впізнається взаємне розташування двох AT-багатих ділянок. В кожному з них 4-6 пар нуклеотидів. Центри цих ділянок знаходяться в положеннях "-10" і "-35". Принципово важливою є відстань між цими ділянками. Вона коливається від 16 до 19 п.н. Штучне збільшення цієї відстані до 20 п.н. або зменшення його до 15 п.н. призводить до того, що РНК-полімераза не впізнає зіпсований промотор. Після промотора в опероні знаходиться акцепторна зона (у еукаріот) або оператор (у прокаріот), яка служить для скріплення з регуляторами транскрипції (наприклад, підсилювачами - енхансерами). У оператора диспетчерська функція: він дозволяє або забороняє транскрипцію. 140 Гени або структурні цистрони - несуть інформацію про структуру поліпептидних ланцюгів або нематричних РНК. Транскриптон може містити один структурний ген або кілька. Цистрон - послідовність нуклеотидів ДНК, що кодує поліпептид (в більшості випадків - білок) або одну tРНК, або одну rРНК. В більшості випадків цистрони об'єднуються в оперон за наступним принципом: закодовані в них білки беруть участь в одному біохімічному ланцюзі реакцій. Гени містять інтрони - неінформативні ділянки та екзони інформативні ділянки. Термінатор - остання ділянка транскриптона, служить сигналом про закінчення транскрипції. Первинний транскрипт - РНК, що утворюється при транскрипції комплементарна копія транскриптона від промотора до термінатора 141 ЭТАПИ ТРАНСКРИПЦІЇ На всіх этапах транскрипції є необхідною участь спеціальних білкових факторів: А, В - ініціації, Е, Н, F - елонгації, ρ-фактор - термінації. 1. Ініціація Приєднання ДНК-залежної РНК-полімерази до промотора. У прокаріот цей фермент складається з 4 субодиниць, створюючих кор-­‐фермент (“серцевина”), до якого приєднується додатковий білковий σ -­‐фактор, сприяючий більш міцному скріпленню ферменту із специфічною промоторною послідовністю. Еукаріотичні клітини звичайно містять 3 типи РНК-­‐полімераз: РНК-­‐полімераза I каталізує синтез рРНК РНК-­‐полімераза II каталізує синтез пре-­‐мРНК РНК-­‐полімераза III каталізує синтез тРНК На цьому етапі діють інгібітори -­‐ антибактеріальні антибіотики рифаміцин та рифампіцин, а також протипухлинний антибіотик актиноміцин D Безпосередньо ініціація синтезу починається з включення в ланцюг першого нуклеотида -­‐ у всіх РНК це пуриновий нуклеозидтрифосфат (Пур-­‐5-­‐ФФФ). 142 На цьому етапі діє інгібітор елонгації стрептолідигін 3. Термінація Сигнал термінації є певною послідовністю в рамках кодуючого ланцюга ДНК. Специфічними для ділянок, що термінують, є паліндроми - зворотні повтори і поліА-послідовності. Транскріпт з цієї ділянки має форму шпильки з кінцевою УУУУ-послідовністю. На цьому етапі бере участь термінуючий білок- ρ-фактор. При взаємодії ρ-­‐фактора з РНК-­‐ полімеразою вона втрачає спорідненість до ДНК і комплекс розпадається: фермент відділяється від ДНК, вивільняються ρ- фактор та первинний транскрипт, тобто РНК Після термінації кор-­‐фермент відокремлюється від ДНК-­‐матріци и, зв'язавшись с новою молекулою сигма-­‐фактора, приступає до синтезу нової молекули РНК. 143 Всі первинні транскрипти РНК у еукаріот піддаються процесінгу (дозріванню) в період між їх синтезом і початком реалізації відповідної функції -­‐ в ролі мРНК, тРНК або рРНК. Процесинг -­‐ складний процес, включаючий “кепірування”, реакції розщеплювання та лігірування (сплайсинг), приєднання додаткових кінцевих нуклеотидів та нуклеозидну модифікацію “Кепірування” - приєднання до 5-­‐кінця мРНК метилгуанозинтрифосфата (зв'язок 5-­‐5), відбувається в ядрі, в процесі елонгації, коли довжина ланцюга РНК досягає близько 30 нуклеотидів. Поліаденілування - приєднання кінцевих нуклеотидів -­‐ поліА-­‐послідовність з 3-­‐кінця (відбувається в ядрі і цитоплазмі), що складається з 100-­‐200 залишків АМФ Сплайсинг – вирізання інтронів та зшивання екзонів 144 Свойства кода -­‐ триплетність (43=64 кодона) -­‐ специфічність (один кодон -­‐ одна амінокислота) -­‐ вирожденість (на одну амінокислоту – декілька кодонов) -­‐ універсальність -­‐ однонаправленість (5-­‐-­‐-­‐-­‐>3) -­‐ непреривність -­‐ неперекриваємість -­‐ лінейність ІНФОРМАЦІЙНА ЄМКІСТЬ ДНК На Землі живе 6 мільярдів чоловік. Спадкова інформація про них вкладена в 6х109 сперматозоїдах. За різними оцінками у людини від 30 до 50 тисяч генів. У всіх людей ~ 30х1013 генів або 30х1016 пар нуклеотидів, які складають 1017 кодонів. Середня книжкова сторінка містить 25х102 знаків. ДНК 6х109 сперматозоїдів містить інформацію, рівну за об'ємом приблизно 4х1013 книжкових сторінок. Ці сторінки зайняли б об'єм 6-і будівель МГУ. 6х109 сперматозоїдів займають половину наперстка. Їх ДНК займає менш чверті наперстка . 145 146 Трансляція-­‐ це переклад генетичного тексту мРНК в послідовність амінокислот в поліпептидну білкового ланцюга. лінійну Щоб амінокислота «впізнала» своє місце в майбутньому поліпептидному ланцюзі, вона повинна зв'язатися з транспортною РНК (тРНК), що виконує адапторну функцію: з одного боку, «взнає» кодон на мРНК, з іншою – зв'язується з відповідною цьому кодону амінокислотою. Все т-­‐РНК мають один полінуклеотидний ланцюг, окремі ділянки якого утворюють спіралевідні петлі -­‐ “шпильки” за рахунок водневих зв'язків А-­‐Т і Г – Ц ( 70% п/п ланцюги), в результаті утворюється просторова конфігурація у вигляді “листа конюшини”. Завдяки антикодону -­‐триплету в середній частині молекули тРНК, комплементарному певному кодону на мРНК, тРНК “читає” текст на м-­‐РНК, а за допомогою акцепторної ділянки на 3-­‐кінці -­‐ ЦЦА ( обов'язкової для всіх т-­‐РНК) -­‐ приєднує відповідну амінокислоту з утворенням аміноацил-­‐тРНК. Специфічне взаємне пізнавання амінокислоти і тРНК відбувається за допомогою ферменту -­‐ аміноацил-­‐тРНК-­‐синтетази (АРС-­‐ази). Цей фермент взнає і зв'язує тРНК, а потім переносить амінокислотний залишок на 3’-­‐ОН групу кінцевого аденозина, приєднуючи її складноефірним зв'язком: амінокислота + тРНК + ATP аміноацил-тРНК + АМР + РР аа-тРНК-синтетаза 147 Компоненти: м-РНК - генетична матриця - містить лінійну послідовність кодонів, визначаючих первинну структуру білків набір (близько 60 ) аа-т-РНК - для читання тексту на м-РНК і як джерело амінокислот при зборці білка. Виконує функцію адаптора, перекладаючого запис інформації з мови нуклеотидів на мову амінокислот АТФ, ГТФ - джерела енергії білкові фактори ініціації, елонгації, термінації специфічні внерибосомні білки, що необхідні для процесів трансляції іони магнію - стабілізують структуру рибосом рибосоми - рибонуклеопротеїнові субклітинні структури, які є місцем синтезу білків - молекулярні машини для послідовного з'єднання амінокислот. До складу рибосом входить рибосомальна РНК (рРНК), оточена білками. Рибосоми складаються з 2 різних субодиниц. Знаходяться у вільному стані в цитоплазмі або пов'язані з мембранами ендоплазматичного ретикулуму. Можуть вільно переміщатися в різні ділянки клітини ----> збирати білок там, де це необхідно. Рибосомы та їх субодиниці класифікують не за масами, а відповідно до їх коефіцієнтів седиметації (S), які визначаються ультрацентрифугуванням Прокаріотична рибосома 70S 50S 30S 5S rРНК 23S rРНК 34 молекул білків В 16S rРНК 21 білок Еукаріотна рибосома 80S 60S 5S rРНК 5.8S rРНК 28S rРНК не меньше 50 різних білків 40S 18S rРНК не меньше 33 різних білків синтезі білка мРНК використовуе не одну, а кілька рибосом -­‐-­‐-­‐> утворюються полісоми -­‐-­‐> підвищується ефективність використання мРНК -­‐-­‐-­‐-­‐> підвищується швидкість синтезу білка . 148 1. ІНІЦІАЦІЯ ТРАНСЛЯЦІЇ Субодиниці рибосом розімкнені. М-РНК, вийшовши з ядра, зв'язується з малою субодиницею поряд з 5 кінцем м-РНК (читання від 5---->3). В її межах поміщається 2 кодони. Перший кодон АУГ або ГУГ - ініціюючі, якщо вони знаходяться на початку ланцюга, якщо в середині - то вони кодують метионін або валін відповідно. Білкові фактори ініціації забезпечують скріплення м-РНК з субчастинкою рибосоми та ГТФ, потім приєднується велика субодиниця, а фактори віддаляються. Утворюється комплекс: м-РНК-рибосома-метионіл-т-РНК, готовий до елонгації. метионіл-­‐тРНК мРНК На рибосомі існують два участки: мРНК П-­‐сайт або пептидильний сайт, потрібний для зв'язування з поліпептидним ланцюгом, який подовжується А-­‐сайт або аміноацильний, потрібний для приєднаня нової аа-­‐ тРНК. мРНК П-­‐сайт А-­‐сайт На стадії ініціації до П-­‐сайту приєднується метионіл-­‐тРНК, А-­‐сайт – є вільним. 149 2. ЕЛОНГАЦІЯ ТРАНСЛЯЦІЇ Елонгація – це подовження поліпептидного ланцюга від N-кінця до Скінця а) - зв'язування аа-т-РНК У момент першого кроку другий кодон на мРНК вільний. З ним злучається своїм антикодоном аа-тРНК, що потрапляє в рибосоми її аміноацильний кінець зв'язується з А-сайтом рибосоми. На це витрачається енергія ГТФ. Беруть участь білкові фактори елонгації. б) -транспептидація Відбувається перекидання пептидила з лівої тРНК (з П-сайта) на аміногрупу аа-тРНК ----> утворюється пептидний зв'язок за допомогою ферменту пептидилтрансферази. В А-сайті утворюється пептидилтРНК (n+1), П -сайт - вакантний. в) - транслокація Пептидил-тРНК, що утворився переноситься з А-сайта в П-сайт, завдяки просуванню рибосоми щодо мРНК. Фермент - транслоказа. Використовується енергія ГТФ. Рибосома переміщюється вздовж мРНК у напрямі 3-кінця на 1 кодон (триплет) ----> йде нарощування ланцюга по 1 амінокислоті відповідно до порядку кодонів мРНК Енергетичні витрати на синтез 1 пептидного зв'язку: 2АТФ и 2 ГТФ 150 3. ТЕРМІНАЦІЯ ТРАНСЛЯЦІЇ В мРНК присутні кодони (“стоп-сигнали”) УАА, що термінують. УГА. УАГ і білкові фактори термінації. З термінуючими кодонами не може зв'язатись жодна тРНК, оскільки немає відповідних антикодонів---> йде зв'язування з білковими факторами термінації. Активуються рибосомні білки - пептидази -----> гідролізується складноефірний зв'язок між синтезованим поліпептидом та тРНК -> відділяється синтезований білок від рибосоми, звільняється тРНК і мРНК. Регуляція синтеза білка Концентрація багатьох білків в клітці непостійна і змінюється залежно від стану клітини та зовнішніх умов. Це відбувається в результаті регуляції швидкостей синтезу і розпаду білків. Регуляція експресії генів може здійснюватись на будьякій стадії на шляху від гена до утворення функціонально активного білка. Регуляція транскрипції Транскрипція генів може пригнічуватися або активуватися, отже, синтез білків може репресуватися або індукуватися. Оперон - це ділянка DNA, що кодує будову, як правило, функціонально зв'язаних білків і що містить регуляторну зону, контролюючу синтез цих білків. На малюнку приведена схема лактозного оперону: 151 Тести з теми “Основи молекулярної генетики” 1.Із нітратів, нітритів і нітрозамінів в організмі утворюється азотиста кислота, яка зумовлює окисне дезамінування азотових основ нуклеотидів. Це може призвести до точкової мутації - заміни цитозину на: A. Гіпоксантин B. Гуанін C. Тимін D. Аденін E. Урацил 2. У хворих на пігментну ксеродерму шкіра надзвичайно чутлива до сонячного світла, може розвиватись рак шкіри. Причиною є спадкова недостатність ферменту УФендонуклеази. Внаслідок чого цей порушується процес? A. Репарації ДНК B. Зворотньої транскрипції C. Реплікації ДНК D. Транскрипції E. Трансляції 3. Для лікування урогенітальних інфекцій використовують хінолони - інгібітори ферменту ДНК-гірази. Укажіть, який процес порушується під дією хінолонів у першу чергу. A. Репарація B. Реплікація C. Ампліфікація генів D. Рекомбінація генів E. Зворотна транскрипція E. Трансляції 4. На судово-медичну експертизу надійшла кров дитини та передбачуваного батька для встановлення батьківства. Вкажіть, ідентифікацію яких хімічних компонентів необхідно здійснити в дослідній крові. A. Гя-РНК. B. т-РНК. C. р-РНК. D. ДНК. E. мя-РНК. 5. Молекулярний аналіз гемоглобіну пацієнта, що страждає на анемію, виявив заміну 6Глу на 6Вал бета-ланцюга. Який молекулярний механізм патології? A. Генна мутація B. Хромосомна мутація C. Геномна мутація D. Ампліфікація генів Еталони відповідей: E. Трансдукція генів 1- Е; 2 – А; 3 – ВД; 4 – Д; 5 – А. 152 Введення в ендокринологію зворотний негативний зв'язок Для координації численних специфічних функцій в диференційованих тканинах багатоклітинних організмів необхідні механізми міжклітинної регуляції. У механізмах регуляції можна виділити три рівні: внутрішньоклітинний рівень - здійснюється за рахунок ферментів (зміни їх активності або кількості) Міжорганну регуляцію виконують дві основні системи: ендокринна система (другий рівень) - сукупність всіх ендокринних залоз, які використовують гормони в якості мобільних посередників; нервова система (третій рівень) - система проведення сигналів, що має жорстку структурою. Всі три рівні тісно пов'язані один з одним та функціонують як єдина система, накладаючись і перекриваючись. У ієрархії систем регулювальників провідна роль належить нервовій ЦНС системі, яка отримує сигнали як зовнішньої, так і внутрішньої середи, попередники внаслідок чого виникають імпульси в спеціалізованих рецепторах. Імпульси гіпоталамус надходять в гіпоталамус, де синтезуються перші біологічно активні ліберини статини гормональні речовини - рілізінгфактори. Вони не потрапляють у загальний кровоток, а за системою попередники портальних судин досягають аденогіпофіз спеціалізованих клітин гіпофіза та стимулюють (ліберіни) або сповільнюють (статіни) біосинтез і виділення тропних гормонів. Ці тропні гормони гормони з током крові надходять у відповідну ендокринну залозу, попередники викликаючи секрецію певного гормону. периферичні Гормони діють на органи або тканинизалози мішені, змінюючи в них концентрацію метаболітів, т.ч. впливаючи на обмін речовин. Надлишок гормону за гормони принципом зворотного негативного зв'язку гальмує вироблення гормонів гіпоталамуса або гіпофіза. клітинамішень відповідь клітини 153 Гормони - (hormao - грец. - спонукати до дії) - речовини органічної природи, що виробляються в спеціалізованих клітинах залоз внутрішньої секреції, надходять безпосередньо в кров і регулюють обмін речовин у тканинах-мішенях і функції організму у цілому. Кожен гормон, де б він не був синтезований, потрапляє в кров і циркулює разом з нею, зустрічаючи на своєму шляху клітини всіляких типів. Але зовсім не всі клітини є мішенями для всіх гормонів. Клітини реагують лише на присутність в крові одного або декількох певних гормонів. міжклітинний простір гормон кровь рецептор клітинамішень • • • клітина не мішень При цьому усі 75 трильйонів клітин організму людини є мішенями для одного або декількох з 50 відомих гормонів. Реакція тканини-мішені на дію гормонів залежить від ряду чинників: швидкості продукування гормону в кров і швидкості деградації його в печінці або в нирках (від декількох хвилин до декількох діб); анатомічній близькості тканини-мішені до джерела (ендокринної залози); швидкості асоціації і дисоціації гормонів із спеціальними білками-переносниками. Гормони циркулюють в крові як у вільному, так і в зв'язаному стані - з протеїнами плазми, специфічними білками-переносниками (резервуар гормонів, їх неактивна форма). У тканинах-мішенях гормони визволяються від білка і починають діяти. У клініці визначають вільну і зв'язану форми (наприклад, підвищення вільних жіночих статевих гормонів - погана діагностична ознака). Усі гормони взаємодіють з клітинами-мішенями за допомогою рецепторів особливих молекул впізнання, специфічних білків складної, унікальної структури, що забезпечують високу вибірковість. Один гормон може мати декілька рецепторів. Порушення функції рецепторів може бути причиною багатьох ендокринних захворювань. Порушення можуть бути такі: поява антитіл проти рецепторів певних гормонів; відсутність зв'язування гормону з рецептором; порушення регуляції рецепторів. 155 Справжні гормони мають такі характерні властивості: цілеспрямованість і дистантність дії (утворюються в одних органах, діють в інших); висока біологічна активність (концентрація гормонів в крові зовсім мала - 10-7 10-12 моль/л); висока специфічність (гормони діють лише на свої тканини-мішені) Окрім справжніх гормонів, що секретуються безпосередньо в кров і характеризуються дистантністю, існують гуморальні регуляторні фактори неендокринного походження (гормони локальної дії), які регулюють метаболізм там, де вони виробляються (ізокринна дія). Вони утворюються в різних органах і тканинах: лімфоїдній системі, лейкоцитах, сполучній тканині, ЖКТ, нервовій системі, нирках, міокарді, тому ще називаються тканинними гормонами або гормоноїдами. Концентрація гормонів схильна до періодичних коливань, які можуть залежати від пори року, часу дня або менструального циклу. Багато гормонів надходять в кров імпульсами, нерегулярно; їх концентрація може пульсувати. Концентрація іншої групи гормонів змінюється залежно від зовнішніх чинників (стрес, голодування, їжа). Викид гормонів є відповіддю організму на зовнішню дію або на зміну внутрішнього стану. 30 лютропин імпульси 20 10 12 15 18 3 6 інсулін 10 їжа 12 15 18 21 24 час доби 3 6 Класифікація гормонів Існує декілька підходів до класифікації гормонів: за розчинністю у воді і ліпідах (гідрофільні або ліпофільні гормони); за локалізацією рецепторів гормонів (мембранні або цитозольні рецептори); за секретуючими ендокринними залозами (гормони гіпофіза, підшлункової, щитоподібної залози і т.д.); за метаболічним ефектом (гормони гіперглікемічні, анаболічні і т.д.) за хімічною структурою: гормони білково-пептидної природи: складні білки (частіше глікопротеїни): СГ, ТТГ; прості білки: інсулін, СТГ; пептиди: кальцитонін, глюкагон, нейропептиди, тканинні біорегулятори; гормони - похідні амінокислот: тироксин, адреналін, норадреналін і ін.; гормони стероїдної природи: кортикостероїди, статеві гормони, похідні вітаміну D; эйкозаноїди – гормоноподібні речовини - похідні арахідонової кислоти: простагландини, простацикліни, тромбоксани, лейкотрієни. 156 9 зовнішня дія 30 20 24 час 21 доби 9 Механізми взаємодії гормонів з клітиною Усі гормони поділяють на дві великі групи в залежності від клітинної локалізації рецептора (на клітинній мембрані або в клітинні), з яким взаємодіє гормон. Це, в свою чергу, залежить від структури та властивостей самого гормону: гідрофільні гормони – білково-пептидної природи та похідні амінокислот – не здатні проникати всередину клітини-мішені крізь ліпофільну клітинну мембрану, діють на клітину за рахунок зв'язування з мембранним рецептором; ліпофільні гормони – стероїдні гормони і йодтироніни – проникають в клітинумішень і взаємодіють із специфічними рецепторами в цитоплазмі або в клітинному ядрі. Механізм дії гідрофільных гормонов Трансформація гормонального сигналу в специфічну відповідь клітини-мішені відбувається в результаті таких молекулярних подій: Передача гормонального сигналу здійснюється за допомогою білкових рецепторів, розташованих на поверхні плазматичної мембрани. Розрізняють два основних типи мембранних рецепторів: іонотропні рецептори – після взаємодії з гормоном вони сприяють відкриттю іонних каналів на мембрані та розвитку швидких іонних потоків (кальцію, натрію, калію, хлору); метаботропні рецептори активують системи клітини за допомогою білківтрансдукторів (G-білків). гормон метаботропний рецептор ефекторні ферменти: аденілатциклаза, гуанілатциклаза, фосфоліпаза С, фосфоліпаза А2. G-білки - це внутрішньомембрані білки, які приймають хімічний сигнал від рецептора, модифікованого гормоном, та передають цей сигнал на ефекторні системи клітини. Існує декілька типів G-білків, основні з них: Gs – стимулюють аденілатциклазу; Gi - інгибують аденілатциклазу; Gq – активують фосфоліпазу C. 157 Ефекторні ферменти – аденілатциклаза, гуанілатциклаза, фосфоліпаза С та ін., локалізовані на внутрішній поверхні клітинної мембрани. Вони стимулюють утворення в цитоплазмі клітини вторинних посередників – месенджерів. Найбільш важливими вторинними месенжерами є: циклічний АМФ (цАМФ) циклічний ГМФ (цГМФ), іони Са2+ , інозитолтрифосфат ІФ3, діацилгліцерид (ДАГ) і монооксид азоту (NO). Подальша передача гормонального сигналу від вторинних месенжерів здійснюється за допомогою протеїнкіназ – ферментів, які фосфорилюють білки (більше 100 різних білків, у тому числі ряд ферментів і факторів транскрипції). У результаті фосфорилювання змінюється функціональна активність цих білків. Гідрофільні гормони діють за допомогою мембранних рецепторів Гормон (білково-пептидні гормони, адреналін) Рецептор (у мембрані) Гормон (інсулін, СТГ) Аутофосфорил ювання рецептора G – білок Ефекторний фермент (аденілатциклаза, фосфоліпаза С, та ін.) Вторинний месенжер (цАМФ, Са 2+, ІФ3, ДАГ) Протеїнкінази Фосфорилювання білків Ліпофільні гормони діють за допомогою внутрішньоклітинних рецепторів Гормон (стероїдні гормони, йодтироніни) Рецептор (усередині клітини) Комплекс «гормон – рецептор» G – білок Транспорт комплексу «гормон - рецептор» у ядро Каскад фосфорилювання білків Взаємодія комплексу «гормон - рецептор» с ДНК Активація ферментів та факторів транскрипції Зміна функціональної активності білків 158 (ферментів) Індукція або репресія транскрипції Трансляція синтез білків (ферментів) Зміна кількості білків (ферментів) Поява в клітині вторинного посередника є пусковим моментом для зміни метаболізму, який здійснюється, як правило, шляхом фосфорилювання білків. Роль вторинних посередників можуть виконувати цАМФ, цГМФ, інозитолтрифосфат, діацилгліцерин Ca2+. Найпоширенішим і добре вивченим вторинним посередником є циклічний 3',5'аденозинмонофосфат (цАМФ): аденілатциклаза фосфодіестераза АТФ цАМФ АМФ Зв'язування гормону з рецептором активує аденілатциклазу і, отже, призводить до підвищення внутріклітинної концентрації цАМФ, що веде до збільшення швидкості фосфорилювання білків. Наявність каскаду ферментативних реакцій між зв'язуванням гормону з рецептором і зміною метаболізму дозволяє значно підсилити первинну дію гормону. Таким чином, відбувається багатократне посилення гормонального сигналу – ампліфікація: на одну молекулу гормону припадає до 100 молекул цАМФ). Припинення дії гормону в даному випадку досягається руйнуванням вторинного месенжера – за допомогою фосфодіестерази він перетворюється на АМФ. Інший ефекторний фермент, що знаходиться в ліпофільній мембрані – фосфоліпаза С – гідролізує ті фосфоліпіди (фосфоінозітолдіфосфати), що знаходяться в цій самій мембрані, внаслідок чого утворюються інші вторинні внутрішньоклітинні посередники: гідрофільний інозитолтрифосфат і ліпофільний діацилгліцерид. діацилгліцерид (ДАГ) фосфоліпаза С 159 фосфоінозитолдіфосфат (ФІФ2) інозитолтрифосфат (ІФ3) гормон Дія гідрофільних гормонів через цАМФ 1 Гідрофільні гормони не здатні проникати всередину клітини та тому запускають відповідну клітинна мембрана реакцію шляхом приєднання до метаботропних рецепторів, локалізованих на плазматичній рецептор аденілатциклаза мембрані. G-білок У комплексі, що утворився, неактивна 2 цитоплазма неактивний рецептор модифікується гормоном і передає хімічний гормон зв’язан 2 сигнал на внутрішньомембранний з рецептором білок-трансдуктор (G-білок). Він складається з трьох субодиниць (α, β, γ ), одна з них (α) може гідролізувати ГТФ і активувати аденілатциклазу ГТФ аденілатциклаза Аденілатциклаза – вельми 3 гормон-рецепторний неактивна складна система. Гормони за комплекс активує G-білок допомогою своїх рецепторів можуть як активувати, так і 3 інгібувати її. Це фермент, локалізований на внутрішній поверхні плазматичної мембрани, каталізує перетворення АТФ на α цАМФ - вторинний месенжер. ГТФ аденілатциклаза Молекули цАМФ, що утворилися, від активованого активна активують в клітині різні G-білка відщепилася АТФ протеїнкінази - ферменти, що α-субодиниця складаються з 4 субодиниць: 2 цАМФ АМФ регуляторні (R) і 2 – каталітичні фосфодіестераза (C). Вільні каталітичні цАМФ субодиниці фосфорилюють різні протеїнкіназа А білки-ферменти з допомогою неактивна АТФ, що веде до зміни їх каталітичної активності. цАМФ протеїнкіназа А Припинення дії гормонів може активна 1 АТФ протеїн 160 кров АДФ фосфорилювання білків фосфопротеїн здійснюватися шляхом гідролізу цАМФ за допомогою фосфодіестераз (інгібітори цих ферментів - кофеїн, теофілін і ін. - посилюють дію гормонів). Дія гідрофільних гормонів через вторинні месенжери: Са2+, ІФ3, ДАГ Аналогічним чином через G-білки може активуватися інший ефекторний фермент у клітинній мембрані – фосфоліпаза С. Цей фермент розщеплює мембранний фосфоліпід – фосфоінозітолдіфосфат (ФІФ2) з утворенням двох вторинних месенжерів: інозітол-3-фосфату (ІФ3) і діацилгліцериду (ДАГ). Гідрóдрофільний ІФ3 мігрує до ендоплазматичного ретикулуму і активує вихід іонів кальцію з цього депо, а ліпофільний ДАГ залишається поблизу мембрани і активує протеїнкіназу С. Цей фермент, разом з іншими протеїнкіназами, фосфорилює білки клітини, змінюючи їх функціональну активність. Регуляторна роль іонів кальцію здійснюється шляхом підвищення внутрішньоклітинної (цитозольної) концентрації цього іону (від 10-100 нм до 500-1000 нм). Відбувається це в результаті: - відкриття кальцієвих каналів в мембрані (при деполяризації мембрани або під впливом нейрорегуляторов або вторинних месенжерів на іонотропні рецептори); - виходу іонів кальцію в цитозоль з внутрішніх депо (мітохондрій і цистерн ЕПР) під дією іншого вторинного месенжера – ІФ3. Кальцій взаємодіє з кальційзв’язуючими білками цитоплазми, зокрема, з невеликим білком кальмодуліном (приєднує 4 іони кальцію), який змінює конформацію і стає здатним активувати протеїнкінази, що регулюють активність різних важливих ферментів. За рахунок активації кальмодуліну, іони Са2+ впливають не лише на активність ряду протеїнкіназ, але й іонних насосів і компонентів цитоскелету. 161 43 Механізм дії ліпофільних гормонів цитоплазма рецептор гормонрецепторний комплекс ядро РНК-полімераза ДНК мРНК виходить з ядра транскрипція мРНК синтез функціональних білків (трансляція) рибосоми Ліпофільні гормони стероїди (кортикостероїди, чоловічі та жіночі статеві гормони, похідні вітамину Д), а також тиреоїдні гормони, можуть проникати крізь ліпофільну мембрану клітинимішені в цитозоль, де і знаходяться їх рецептори (рецептор також може знаходитися безпосередньо в ядрі клітини). У результаті комплементарної взаємодії гормону та циторецептора відбувається модифікація рецептора в складі гормонрецепторного комплексу. Це дозволяє такому комплексу проникнути до ядра клітини, де він взаємодіє зі спеціальною ділянкою ДНК хроматину та активує специфічні гени. У результаті відбувається транскрипція мРНК, яка виходить з ядра в цитоплазму клітини. Далі на рибосомах здійснюється синтез відповідних функціональних білків. Це можуть бути як структурні білки (анаболічний ефект стероїдів), так і ферменти, які змінюють метаболізм в клітині. Таким чином, ліпофільні гормони здійснюють значний вплив на зріст та диференціювання клітин, і т.ч. на розвиток організму. Прояв біологічної дії цих гормонів потребує декілька годин, він і відповідає за процеси довгострокової адаптації організму. У цей же час, гормони білково-пептидної природи забезпечують швидку адаптацію організму, їх дія реалізується через 20-30 хв, адже потребує швидкого включення відповідного біохімічного процесу або фізіологічної функції. 162 ГОРМОНИ ГІПОТАЛАМУСА Гіпоталамус - це зона головного мозку, яка регулює активність гіпофіза та периферичних ендокринних залоз шляхом продукції специфічних рилізінг-факторів: ліберинів - сприяють утворенню відповідних тропних гормонів; статинів - інгибують секрецію тропних гормонів гіпофизу. Добре вивчені такі рилізінг-фактори: соматоліберин; соматостатин; тиреоліберин; пролактостатин; гонадоліберин; кортиколіберин. Рилізінг-фактори за хімічною будовою становлять собою поліпептиди, які секретуються нейронами гіпоталамуса та за системою портального кровообігу надходять в аденогіпофиз, де стимулюють продукцію тропних гормонів. ГОРМОНИ ГІПОФІЗА В передній та в середній долях аденогіпофіза виробляються тропні гормони “гормони гормонів”. Тропні гормони здійснюють свою функцію, впливаючи на гормоноутворення в периферичних ендокринних залозах або безпосередньо на обмін речовин у клітинах-мішенях. Ряд цих гормонів за структурою є глікопротеїнами, які складаються з двох білкових субодиниць та вуглеводного компоненту. α-субодиниця у всіх цих гормонів однакова, а β-субодиниця – різна, та саме вона визначає біологічну специфічність. Тиреотропний гормон (ТТГ) - глікопротеїд, складається з двох субодиниць, впливає на утворення щитоподібною залозою гормонів йодтиронінів (см. с. 49): стимулює зріст фолікулярних клітин щитоподібної залози; активує метаболізм йоду в щитоподібній залозі; посилює включення йоду до складу тироксину; ТТГ активує протеолітичні ферменти, звільнюючи тироксин з тиреойодглобуліну. Гонадотропні гормони - складні білки – глікопротеїди, впливають на гонади (см. с. 59). Фолікулостимулюючий гормон (ФСГ) - стимулює утворення жіночих статевих гормонів естрогенів, а також ФСГ ЛГ дозрівання фолікулів яєчників у жінок та сперматогенез у чоловіків. Лютеїнізуючий гормон (ЛГ) - стимулює утворення прогестерону у жінок та тестостерону у чоловіків. Хоріонічний гонадотропін (ХГ) – глікопротеїн. ХГ 45 163 Сімейство проопіомеланокортину Під впливом кортиколіберину в гіпофізі синтезується поліпептид з 265 амінокислот – проопіомеланокортин (ПОМК). Він є попередником цілої групи пептидних гормонів, які утворюються в результаті часткового протеолізу молекули ПОМК: N-кінець 1 С-кінець проопіомеланокортин (ПОМК) 265 частковий протеоліз α-МСГ АКТГ β-ліпотропін γ-ліпотропін β-ендорфін β-МСГ Адренокортикотропнй гормон (АКТГ) - пептид, який сприяє розростанню кори надниркових залоз, стимулюючи через метаботропні рецептори (вторинний мессенжер - цАМФ) секрецію цією залозою гормонів кортикостероїдів (см.с.60). АКТГ впливає на метаболізм у клітинах-мішенях: підвищує поглинання глюкози корою надниркових залоз; підвищує окиснення глюкози в ПФШ з утворенням НАДФН, необхідного для синтезу холестерину – попередника кортикостероїдів; має прямий ліпотропний ефект на жирову тканину (через цАМФ активує тканинну ліпазу); впливає на пігментацію шкіри шляхом стимуляції утворення пігменту меланіну. Меланоцитстимулюючі гормони (МСГ, меланотропіни) – пептиди, секретуються проміжною долею гіпофіза, утворюються під час часткового протеолізу ПОМК. збільшують кількість пігментних клітин - меланоцитів; сприяють утворенню меланінів у шкірі, райдужній оболонці та в пігментному епітелії сітківки (збільшують активність тирозинази, що бере участь у перетворені тирозину на меланін); мають прямий жиромобілізуючий ефект. Ліпотропні гормони (ЛТГ, ліпотропіни) посилюють ліполіз простих жирів (через активацію аденілатциклази стимулюють ТАГ-ліпази (гормональний ефект ЛТГ виражений слабко, більш важлива їх роль в якості попередників ендорфінів). Ендорфіни – пептиди мозку, діють подібно до опіатів, блокують опіатні рецептори нейронів нервової системи, які відповідають за відчуття болі, голоду, спраги та ін. Вони є головною ланкою протибольової системи організму, регулюють емоції. Описана їх участь у регуляції імунітету та регенерації, а також їх вплив на асоциативнодисоциативні процеси в центральній нервовій системі. 164 Соматотропний гормон (СТГ) - гормон росту, простий білок, починає утворюватися під час першої треті внутрішньоутробного розвитку. Вплив на обмін речовин в тканинах-мішенях (пряма дія) Білковий обмін СТГ - потужний анаболік, посилює синтез білку в гладеньких та скелетних м’язах, паренхиматозних органах; збільшує проліферацію фібробластів шляхом посилення реплікації (забезпечує включення тиміну в ДНК за запасним шляхом); посилює транскрипцію (включення урацилу в РНК); посилює ріст м’яких тканин обличчя та ротової порожнини. Вуглеводний обмін Потужно збільшує концентрацію глюкози в крові (сильний гіперглікемічний ефект), за рахунок того, що примушує інсулін “працювати” на білковий обмін, при цьому зростає проникність мембран більш для амінокислот, ніж для глюкози. Ліпідний обмін мобілізує жири з жирового депо. Опосередкована дія – СТГ стимулює утворення соматомединів - поліпептидів, які регулюють ріст. Соматомедини А и С: посилюють поділ хрящових клітин; активують синтез ДНК, РНК, білку; сприяють включенню сульфатів до складу протеогліканів, що синтезуються. Соматомедин С - діє подібно до інсуліну на жирову та м’язову тканину – збільшує поглинання глюкози та пригнічує ліполіз. Соматомедини В - посилюють синтез ДНК та білку в нервовій тканині. Гіпофункція СТГ Гіпофізарнийй нанізм або карликовість – вроджена недостатність соматотропіну, проявляється маленьким зростом зі збереженням правильних пропорцій і нормальних розумових здібностей. Гіперфункція СТГ має вікові особливості. Гігантизм – виникає в дитячому віці, проявляється різким збільшенням зросту зі збереженням правильних пропорцій. Часто спостерігається гіперглікемія, яка може призвести до розвитку цукрового діабету. Акромегалія – виникає при пухлині гіпофізу, може розвиватися також при фізіологічних станах - вагітності, проявляється непропорційним збільшенням частин обличчя, що виступають, а також м’яких тканин обличчя та ротової порожнини. 165 47 Пролактин - у чоловіків залишається в зв'язаному стані в гіпофізі та в нормі не секретується. У жінок виробляється в період лактації, забезпечує: розпад жирів у молочній залозі; синтез козеїну і лактози. Нейрони гіпоталамуса синтезують нонапептиди, що мають дуже схожу будову – вазопресин та окситоцин, які надходять у задню долю гіпофіза, де зберігаються у вигляді гранул у нервових закінченнях. S S цис – тир – іле – глн – асп – цис – про – лей – глі – СО – NН2 окситоцин S S цис – тир – фен – глн – асп – цис – про – арг – глі – СО – NН2 вазопресин Окситоцин Активує скорочення гладенької мускулатури матки та скорочення клітин, що оточують альвеоли молочної залози. Окситоцин застосовують у клінічній практиці для стимуляції родової діяльності. Вазопресин або антідіуретичний гормон (АДГ). Клітини-мішені - клітини дистальних канальців нирок. Вплив на обмін тонка регуляція водного балансу через контроль реабсорбції води. Секреція АДГ стимулюється: при збільшенні осмоляльності плазми; при зниженні об’єму циркулюючої крові через ренін-ангіотензинову систему (див. с. 63); при стресі та нудоті. Гіпофункція – при атрофії задньої долі гіпофізу виникає нецукровий діабет (нецукрове сечовиснаження), що характеризуються виділенням дуже великої кількості рідини з сечею (до 10 л за добу). До недостатньої секреції вазопресину нейрогіпофізом можуть призводити також пухлини передньої долі гіпофіза. 166 Йодтироніни Йодтироніни входять до складу білку тиройодглобуліну, що міститься в колоїді фолікулів щитоподібної залози. Цей білок становить собою запасну форму основних гормонів фолікулярної частини щитоподібної залози – тироксину та трийодтироніну. Це єдині гормони, які містять йод, який потрапляє в тканини у вигляді аніона. фолікул колоїд С-клітини капіляр 1. Синтез йодтиронінів. 2е Утворення молекулярного йоду 2I- иодидпероксидаза I2 за допомогою йодидпероксидази: 2. Йодування залишків амінокислоти тирозину в складі тиреойодглобуліну (посттрансляціонна модифікація білку тиройодглобуліну) за участю тирозинйодінази з утворенням моно- (МЙТ) та дійодтирозинів (ДЙТ): залишки тирозину … … … білок тиройодглобулін I2 МЙТ МИТ I … … тирозинйодіназа I I I ДЙТ … білок тиройодглобулін 3. Окисна конденсація МЙТ та ДЙТ з утворенням трийодтироніну (Т3) та тетрайодтироніну (тироксину або Т4 ) в складі білка тиреоглобуліну. 4. Поглинання тироглобуліну з колоїду клітинами епітелію і переміщення його до зовнішньої поверхні мембрани. трийодтиронін (Т3) 167 тетрайодтиронін (Т4) - тироксин 5. Секреція гормонів тиройодглобуліну. завдяки протеолізу 49 гіпоталамус Синтез та секреція йодтиронинів регулюється гіпоталамо-гіпофизарною системою: під дією ТЛ тироліберину (ТР), що секретується гіпоталамусом, утворюється тиротропний гормон гіпофизу (ТТГ), який стимулює синтез та секрецію Т3 и Т4 щитоподібною залозою. Ці гормони за гипофиз принципом зворотного зв'язку пригнічують виробку ТЛ и ТТГ. Транспортні форми. За хімічною природою йодтироніни є гідрофобними, цьому ТТГ транспортуються в комплексі з тироксинзв'язуючим глобуліном та альбуміном. Т3 активніше в 3-5 разів, ніж Т4, адже він менш зв'язаний з білками плазми. Транспортні білки щитоподібна служать своєрідним депо, яке може забезпечити залоза додаткову кількість гормонів. Тканини-мішені : печінка, серце, нирки, скелетні м’язи, менш - жирова та нервова тканина. Біологічна дія вплив на ріст та диференціювання тканин, на швидкість основного обміну; калоригенна дія - вплив на енергетичний обмін, що виражається зовнішньо в збільшенні споживання кисню та продукуванні теплоти (калорій). Механізм взаємодії цих гормонів з клітиною двоякий: цитозольний (основний); через активацію аденілатциклази. Вплив на обмін речовин Енергетичний обмін За цитозольним механізмом йодтироніни прискорюють реплікацію ДНК, активують транскрипцію окремих генів, тобто йодтироніни є індукторами синтезу більш 100 білків-ферментів (головним чином енергетичного обміну), у тому числі ферментів мітохондрій та ферментів човникового транспорту водню з цитоплазми до мітохондрій. ядро хроматин м-РНК м-РНК біоефект білок При цьому стимулюється зростання кількості мітохондрій та збільшення кристів для повного розміщення в них дихальних ансамблів. Усе це викликає збільшений розхід кисню. Йодтироніни збільшують і валову продукцію енергії, і теплоутворення, 168 посилюючи окиснення енергетичних субстратів та стимулюючи Nа, К-АТФ-азу. Вуглеводний обмін Йодтироніни - гіперглікемічні гормони, мають діабетогенні властивості: сприяють усмоктуванню глюкози; стимулюють глікогеноліз в печінці та м’язах шляхом активації аденілатциклази; активують глюконеогенез в печінці. Білковий обмін Йодтироніни - потужні анаболики - сприяють включенню амінокислот до поліпептидного ланцюга - тобто процесу трансляції з використанням АТФ. Зовні це проявляється проліферацією клітин, їх зростанням та диференціюванням. На рівні цілого організму - зростом та правильним розвитком органів і тканини. Йодтироніни відповідають за правильний розвиток і зростання ембріону. У високих концентраціях тироксин виконує свою зворотну функцію - стимулює катаболізм білків. Ліпідний обмін Йодтироніни за аденілатциклазним механізмом активують ліполіз в жировій тканині. Тироксін стимулює виробку адреналіну та, таким чином, опосередковано також активує мобілізацію жирів та їх окиснення. Мінеральний обмін Тироксин - єдиний гормон, який виводить натрій з клітини. Гіперфункція щитоподібної залози Проявляється в двох основних формах: дифузний токсичний зоб (базедова хвороба) – збільшення щитоподібної залози і прискорення синтезу йодтиронінів; аутоімунний тироідит – поява в крові імуноглобулінів, які зв’язуються з рецепторами ТТГ у щитоподібній залозі, імітують його дію, тобто стимулюють синтез Т3 і Т4. Зовні гіперфункція має характерні прояви: збільшення щитоподібної залози (зоб); екзофтальм (витрішкуватість); тахікардія. При гіперфункції позитивні ефекти йодтиронінів переходять у своє заперечення посилюються катаболічні процеси: розпад вуглеводів; мобілізація ліпідів з жирових депо та їх окиснення; розпад білків та посилення синтезу сечовини, що призводить до негативного азотистого балансу. Ці процеси потребують більшого розходу кисню, що призводить до збільшення мітохондрій, змінення їх форми (“хвороба мітохондрій”). Результатом цього є зниження енергетичних ресурсів організму. Як наслідок розвивається м’язова слабкість до повної нерухливості, атрофія тазового поясу. 169 51 Страждає також серцевий м’яз - серцево-судинна недостатність проявляється тахікардією. Посилена калоригенна дія призводить до підвищення температури. Нестача кисню призводить до накопичення недоокиснених метаболітів (пірувату, альфа-кетоглутарату, кетонових тіл та ін.), що має токсичний вплив на ЦНС. Підвищена продукція адреналіну призводить до перезбудження рецепторів кори, що проявляється сильною дратливістю, неадекватними реакціями, треморі. Лікування - хірургічне видалення або блокування продукції тироксину за допомогою антагоністів тироксину, які сповільнюють синтез тиреоїдних гормонів: тіосечовина тіоурацил метилтіоурацил Крім того, знижують функцію щитоподібної залози тіоцианат та речовини, що містять амінобензольну групу, а також мікродози йоду. Гіпофункція має вікові особливості. Кретинізм - уроджена недостатність тироксину - характеризується вираженою розумовою та фізичною відсталістю, що проявляється відсутністю інтелекту та карликовістю. Це пояснюється порушенням зростання й диференціювання клітин в ембріогенезі, що призводить до затримки зростання кісткової тканини та до порушення диференціювання нервової тканини. Мікседема - розвивається у дорослому віці, характеризується зниженням основного обміну. Підшкірна клітковина насичується слиззю (накопичуються протеоглікани і вода), що проявляється як слизистий набряк. Основні симптоми гіпотиреозу: зниження температури тіла; погіршення пам’яті, емоціональна та інтелектуальна затримка; сонливість; ожиріння. Ендемічний зоб Виникає через недостатнє надходження йоду в організм. Проявляється компенсаторним розростанням щитоподібної залози, однак, синтез йодтиронинів при цьому знижений. Корегується введенням йоду в складі їжи. 170 Гормони підшлункової залози Острівцевий апарат підшлункової залози продукує такі гормони: глюкагон - в α-клітинах; інсулін - у β клітинах; соматостатин - у D-клітинах -(тут його концентрація вище, ніж у гіпоталамусі) пригнічує секрецію гормону зросту; бере участь у локальній регуляції інсуліну та глюкагону; панкреатичний поліпептид - у F-клітинах - впливає на шлункову-кишкову секрецію. глюкагон пептид з 29 амінокислот місце синтезу α-клітини підшлункової залози глікоген жири глюкоза жирні кислоти амінокислоти кетонові тіла глікогеноліз глюконеогенез рівень глюкозы кетогенез в кров Глюкагон - одноланцюговий поліпептид, складається з 29 амінокислот, виробляється у вигляді проглюкагону (37амінокислот), активується частковим протеолізом, секреція стимулюється іонами кальцію та амінокислотами, інгібується глюкозою та соматостатином. Напівперіод життя глюкагону дорівнює 5 хв., розпадається в печінці (концентрація його в крові ворітної вени вище, ніж у периферичній). Тканини-мішені: печінка, жирова тканина. Вплив на обмін речовин Вуглеводний обмін. Глюкагон - гіперглікемічний гормон (має діабетогенні властивості) - підвищує рівень глюкози в крові: у печінці за аденілатциклазним механізмом стимулює глікогенфосфорилазу (посилює розпад глікогену) та водночас інгібує глікогенсинтетазу (сповільнює синтез глікогену), у результаті утворюється глюкозо-6-фосфат, який перетворюється на глюкозу під дією глюкозо-6-фосфатази (активується глюкагоном) і вільна глюкоза виходить в кров. глюкагон - найактивніший стимулятор глюконеогенезу (шляхом активації основного ферменту глюконеогенезу - фосфоенолпіруваткарбоксикінази (ФЕПКК)). Глюкагон за допомогою цАМФ прискорює транскрипцію гену ФЕПКК. Жировий обмін. Глюкагон - потужний ліполітичний агент. За допомогою цАМФ стимулює тканинні ТАГ-ліпазы, посилюючи таким чином розпад жиру до гліцерину й ВЖК. Жирні кислоты далі використовуються в якості джерел енергії або перетворюються на кетонові тіла. Гіперфункція – за клінічними ознаками схожа на цукровий діабет (якщо дії глюкагону не перешкоджає інсулін, як це має бути в нормі, глюкагон посилює прояви діабету). 171 інсулін простий білок з 51 амінокислот місце синтезу β-клітини підшлункової залози споживання глюкози клітинами гліколіз глюконеогенез кетогенез рівень глюкози запасні речовини: біосинтез деградація клітина глюкоза глікоген білки глюкоза амінокислоти жири жирні кислоти Інсулін – це простий білок, який складається з двох ланцюгів: А (21 амінокислота) та В (30 амінокислот), пов’язаних один з одним двома дисульфідними містками, третій S-Sмісток знаходиться в А-ланцюзі. Виробляються у вигляді проінсуліну, який складається з одного поліпептидного ланцюга (84 амінокислотних залишки), активується шляхом часткового протеолізу. Це гормон надлишку – він виробляється після їжи, таким чином підтримуючи сталість ваги. Період напіврозпаду - 8-25 хв. Деградація в печінці. Ланцюг В Ланцюг А S S S S частковий протеоліз S S проінсулін інсулін ( 1 поліпептидний ланцюг 2 поліпептидних ланцюги: з 84 амінокислотних (А – 21, В - 30 амінокислотних залишків) залишків ) Синтез і секреція інсуляну регулюється рівнем глюкози в крові. Глюкоза є основним енергетичним субстратом. Джерелами глюкози для організму є вуглеводи їжи та ендогенна продукція глюкози (г.ч. печінкою) шляхом глікогенолізу (розпаду глікогену) і глюконеогенезу (синтезу глюкози з невуглеводів). Концентрація глюкози в крові залежить від співвідношення викиду її в кровоток та утилізації тканинами. Концентрація глюкози в нормі жорстко регулюється та у здорових людей рідко падає нижче 2,5 ммоль/л або перевищує 8,0 ммоль/л незалежно від режиму харчування. У нормі концентрація глюкози в крові складає 3,3 -5,5 ммоль/л. 172 Тканини-мішені: жирова тканина, скелетні м’язи, печінка. Інсулін існує в двох формах: вільний інсулін - атакує всі тканини-мішені; пов’язаний (з білками) - діє лише на жирову тканину. Вплив інсуліну на обмін речовин Вуглеводний обмін. Інсулін - єдиний гіпоглікемічний гормон, який знижує концентрацію глюкози в крові такими шляхами: підвищує проникність клітинних мембран для глюкози в жировій тканині та скелетних м’язах; підвищує проникність клітинної мембрани для іонів кальцію; підвищує активність фосфодіестерази, яка розщеплює цАМФ, завдяки чому знижується розпад глікогену; стимулює синтез глікогену шляхом активації глікогенсинтетази; підвищує активність основних ферментів гліколізу – гексокінази, глюкокінази, фосфофруктокінази, піруваткінази; підвищує активність ферментів, які беруть участь в окисненні глюкози до кінцевих продуктів (ЦТК): піруват- та альфа-кетоглутаратдегідрогеназних комплексів, прискорює пряме окисненя глюкози - пентозо-фосфатного шляху через активацію НАДФ-залежних дегідрогеназ; інгібує ферменти глюконеогенезу, таким чином перешкоджає накопиченню глюкози (у результаті вибіркового інгібування транскрипції гену, який кодує мРНК для основного ферменту глюконеогенезу - фосфоенолпіруват-карбоксикінази – ФЕПКК). Інсулін активує всі процеси утилізації глюкози, сприяє перетворенню її на жири або на кінцеві продукти з виділенням енергії. Жировий обмін Інсулін протистоїть більшості гормонів, адже він активує синтез жирів: підвищує активність ліпопротеїнліпази, яка розщеплює хіломікрони, отже до жирової тканини надходять харчові ВЖК, які використовуються для синтезу жирів; підтримує нормальний рівень регуляторного ферменту синтезу ВЖК - ацетил-КоАкарбоксилази, що каталізує перетворення ацетил-КоА на малоніл-КоА, який «запускає» синтез ВЖК; активують синтез ВЖК (шляхом посилення продукції ацетил-КоА й НАДФ.Н при прямому та непрямому окисненні глюкози); посилює синтез ТАГ з ВЖК і гліцерину, які утворюються з глюкози ; знижує активність тканинних ліпаз, завдяки чому жир затримується в депо. Інсулін стимулює накопичення жирів у жировій тканині, зберігаючи запаси жиру та активуючи анаболічний процес ліпогенезу. 173 Білковий обмін Інсулін - потужний анаболік, сприяє синтезу білка на всіх стадіях: підвищує проникність клітинних мембран для амінокислот; сповільнює глюконеогенез, «зберігає» амінокислоти для біосинтезу білка; посилює реплікацію; сприяє транскрипції; активує трансляцію. Інсулін посилює зростання й диференціювання клітин, забезпечує позитивний азотистий баланс. концентрацяя глюкози в крові, мг/мл Гіпофункція - цукровий діабет ІЗЦД – інсулінзалежний цукровий діабет (діабет I типу) – це захворювання, пов’язане з порушенням β-клітин острівців підшлункової залози. Повний дефіцит інсуліну при ІЗЦД призводить до гіперглікемії та до інших тяжких метаболічних порушень, тому у хворих, які не отримували необхідну кількість інсуліну, неминуче розвивається діабетичний кетоацидоз. Тест на толерантність до глюкози (метод «цукрового навантаження») використовуються для диференційної діагностики гіперглікемій. ІЗЦД У нормі після цукрового навантаження (прийому розчину глюкози) концентрація глюкози в крові стає максимальною через годину, потім (через дві години після норма початку дослідження) під впливом інсуліну концентрація глюкози падає навіть нижче вихідного рівня (натщесерце), а далі під впливом глюкагону повертається до вихідного години стану. Як правило, ІЗЦД вражає дітей, підлітків та молодих людей (ювенільний діабет), але він може розпочатися у будь-якому віці. Сучасна назва хвороби інсулінозалежний цукровий діабет - вказує на довічну потребу хворих отримувати лікарський засіб - інсулін. Основні біохімічні ознаки дисфункції β-клітин: гіперглікемія натщесерце; глюкозурія; кетонурія; наявність глікозильованого гемоглобіну в крові; 174 відсутність або низький рівень С-пептиду в крові або в сечі. дефіцит інсуліну білковий обмін вуглеводний обмін ліпідний обмін посилення катаболізму білків зниження проникнення глюкози всередину клітин посилення мобілізації жирів зниження утилізації глюкози зменшення транспорту амінокислот у м’язи посилення окиснення ВЖК посилення глюконеогенезу гиперглікемія зниження синтезу білку негативний азотистий баланс глюкозурія осмотичний діурез поліурія затримка зросту кетонемія кетонурія метаболічний кетоацидоз втрата натрію полідипсія дегідратація тканин ІНЦД – інсуліннезалежний цукровий діабет (II типу) – це загальна назва декількох захворювань, обумовлених інсулінрезистентністю та відносним дефіцитом інсуліну. Як правило, на ІНЦД хворіють люди після 40 років. При цьому функція β-клітин частково або повністю зберігається, тому більшість хворих не потребує інсулінотерапії. У 80% хворих відзначається ожиріння, адже переважає пов’язана форма інсуліну, яка атакує жирову тканину, сприяючи перетворенню глюкози на жири. За перебігом ІНЦД суттєво відрізняється від ІЗЦД: прояви ІНЦД наростають повільно та поступово; ускладнення розвиваються пізніше, серед них переважають ураження крупних судин. 175 Гормони мозкового шару надниркових залоз Мозковий шар надниркових залоз продукує гормони адреналін і норадреналін. тирозин диоксифенілаланін Адреналін и норадреналін синтезуються з амінокислот - фенілаланіну й тирозину та накопичується у вигляді секреторних гранул у хромафінних клітинах. Джерелом метильных груп у синтезі алреналіну є метіонін, переносять їх коферментні форми вітаміну В12 та фолієвої кислоти. Біологічну активність мають катехоламіни: дофамін, адреналін і норадреналін. Ці гормони секретуються у відповідь на гіпоглікемію або на стрес. адреналін місце синтезу серце мозковий шар похідне печінка надниркових залоз жирова амінокислот м’язи тканина дофамін норадреналин адреналин працездатність серця просвіт кровоносних судин кров’яний тиск Метаболічний ефект: глікогеноліз рівень глюкози в крові ліполіз Тканини-мішені: жирова тканина, скелетні м’язи. Вплив на обмін речовин. Вуглеводний обмін. Адреналін - гиперглікемічний гормон, діє за допомогою цАМФ (як і глюкагон) і забезпечує термінову мобілізацію глікогену у м’язах під час фізичного навантаження і стресу (активує розпад глікогену, стимулюючи глікогенфосфорилазу й сповільнює синтез глікогену, інгібуючи глікогенсинтазу). Ліпідний обмін. У жировій тканині адреналін стимулює ліполіз шляхом активації тканинних ТАГ-ліпаз за аденілатциклазним механізмом. Це призводить до підвищення рівня жирних кислот і гліцерину в крові. Вільні ВЖК надходять до серцевого м’язу й служать джерелом енергії. Фізіологічні ефекти Адреналін і норадреналін звужують кровоносні судини, підвищують кров’яний тиск, адреналін збільшує силу й частоту серцевих скорочень, розслаблює гладенькі м’язи кишечника, бронхів, матки. 176 Стероїдні гормони Загальним попередником усіх стероїдних гормонів є холестерин, який надходить до гормон-синтезуючих клітин з різних джерел у складі ЛПНП або синтезується в цих клітинах з ацетил-КоА. C27 Гормони кори надниркових залоз Глюкокортикоїди С21 (кортизол, кортизон, кортикостерон) Мінералокортикоїди С21 (альдостерон) Статеві гормони Чоловічі статеві гормони – андрогени С19 (тестостерон) Жіночі статеві гормони естрогени С18 , прогестерон С21 Синтез стероїдних гормонів У процесі синтезу стероїдних гормонів утворюється більш 40 стероїдних метаболітів, які відрізняються за структурою і біологічною активністю, найбільш важливими є прогестерон, кортизол, альдостерон, тестостерон і естрадіол, а також кальцитріол. кальцитріол холестерин прегненалон кортизол прогестерон альдостерон C21 C19 тестостерон C18 Наведені на схемі стероїди об’єднані в підгрупи за числом вуглеводних атомів. эстрадиол На первом этапе синтеза путем отщепления от молекулы холестерина боковой 6углеродной цепи образуется прегненолон – непосредственный 21-углеродный предшественник всех стероидных гормонов. Каким именно гормоном окажется конечный стероид, зависит от набора ферментных систем в данной клетке. Биосинтез каждого из них состоит из множества последовательных ферментативных реакций, причем, каждый из стероидных гормонов может образоваться более, чем одним путем, т.е. пути синтеза этих гормонов образуют сложную сетку реакций. Важнейшими реакциями, определяющими образование отдельных групп стероидов, являются реакции гидроксилирования в положениях 11, 17, 21, протекающие при участии специфических гидроксилаз. 177 Порушення реакцій гідроксилювання в синтезі стероїдних гормонів може змінити співвідношення окремих груп стероїдів і призвести до розвитку патологічних станів. Так, адрено-генітальний синдром (уроджена дисфункція кори надниркових залоз) проявляється передчасним статевим дозріванням хлопчиків і розвитком вторинних чоловічих статевих ознак у дівчинок. При вказаній патології визначається дефект 21гідроксилази (рідше - 11-гідроксилази). Катаболізм стероїдних гормонів Розпад стероїдних гормонів відбувається в першу чергу в печінці. у результаті їх катаболізму утворюються стероїди, які мають кето-групу в 17-му положенні. Вони називаються 17-кетостероїди (17-КС) і виводяться нирками у складі сечі (у вигляді кон’югатів із сірчаною або з глюкуроновою кислотою). Визначення ГК у сечі має діагностичне значення. Норма: 7-12 мг/доб. сечі - для жінок; 12-17 -----------,---- - для чоловіків. Підвищення 17-КС: при пухлині сім’яників; пухлині надниркових залоз; Зниження 17-КС: при євнухоїзмі; . гіпофункції аденогіпофіза; адисоновій хворобі; мікседемі. глюкоза К+ Na+ Кора надниркових залоз секретує гормони, які регулюють всі види обміну речовин (вуглеводний, ліпідний, білковий, водно-сольовий), а також сприяють нормальному функціонуванню інших залоз внутрішньої секреції. 178 Гормони кори надниркових залоз (кортикостероїди) КС C21 Мінералокортикоїди Основним мінералокортикоїдом є альдостерон C21 Глюкокортикоїди Основним глюкокортикоїдом є кортизол глюкоза стрес Глюкокортикоїди травма Основні глюкокортикоїди (ГК): кортизол, кортизон, кортикостерон. гіпоталамус КЛ гіпофиз АКТГ кортизол (ГК) Утворенню глюкокортикоїдів (ГК) передує ціла низка подій: у відповідь на стрес, зниження рівня глюкози в крові, травму в гіпоталамусі секретується рилізінг-фактор кортикотропінліберин (КЛ); кортиколіберин діє на гіпофіз і стимулює продукцію адренокортикотропного гормону (АКТГ); АКТГ, як тропний гормон, з кров’ю надходить до надниркових залоз і активує продукцію їх корою глюкокортикоїдів, зокрема кортизолу; кортизол надходить у кров и за принципом зворотного негативного зв’язку інгібує продукцію як кортиколіберину гіпоталамусом, так і адренокортикотропного гормону гіпофізом. надниркові залози Регуляція секреції кортизолу ЛПНП клітинна мембрана АКТГ кортизол АКТГ, будучи гормоном пептидної природи, не надходить всередину клітини, а взаємодіє з рецептором (R) на поверхні клітинної мембрани, який за допомогою G-білка і аденілатциклази активує протеїнкіназу (ПК). Цей фермент переводить у активний стан: холестеролестеразу фермент, який вивільняє холестерин (ХС) з його ефірів (ЭХС); ферменти синтезу кортизолу з холестерину. ліпідна крапля R рецептор G ЛПНП аденілатциклаза АТФ ЭХС холестеролестераза цАМФ ПК ХС ендоплазматичний ретикулум ХС прогестерон 11-дезоксикортизол прегненолон мітохондрія кортизол 179 мкг/100мл сон время суток Суточный ритм секреции кортизола Глюкокортикоїди виробляються при зниженні концентрації глюкози в крові, тому протягом доби їх секреція ритмічно змінюється. Як правило максимальна продукція кортизолу спостерігається вранці, тобто в постабсорбтивний період, коли внутрішні резерви глюкози знижені. ГК транспортуються з кров’ю в комплексі з альфа-2-глобуліном – транскортином. Тканини-мішені: печінка, нирки, лімфоїдна тканина (селезінка, лімфовузли, лімфоцити, тимус), сполучна тканина, скелетні м’язи. Вплив глюкокортикоїдів на обмін речовин Вуглеводний обмін ГК підвищують концентрацію глюкози в крові, адже вони індукують синтез ферментів глюконеогенезу (піруваткарбоксилазу, фосфоенолпіруваткарбоксикіназу (ФЕПКК), глюкозо-6-фосфатазу, фруктозо-1,6-бісфосфатазу, тирозинамінотрансферазу та ін.) у печінці, корковому шарі нирок і в клітинах кишечника. ГК стимулюють синтез глікогену в печінці, але сповільнюють цей процес у м’язах. ГК посилюють синтез адреналіну, що призводить до активації ліполізу, отже і до підвищення концентрації гліцерину, який використовується в глюконеогенезі. Білковий обмін У печінці ГК стимулюють синтез білків – ферментів глюконеогенезу; У лімфоїдній тканині ГК активують розпад білків, зокрема антитіл; У м’язах та інших тканинах ГК сповільнюють синтез білків; У сполучній тканині ГК сповільнюють синтез колагену. Пригнічення синтезу білку (катаболічний ефект) сприяє підвищенню концентрації вільних амінокислот та їх використанню в синтезі глюкози Ліпідний обмін Шляхом активаціїї синтезу адреналіну ГК посилюють ліполіз, що веде до збільшення концентрації гліцерину і ВЖК у крові, тобто ГК викликають кетонемію та ацитоз. Водно-мінеральний обмін ГК підвищують реабсорбцію іонів натрію і виділення калію (як і мінералокортикоїди, але слабше). Через зниження синтезу білків у кістковій тканині відбувається розсмоктування окремих ділянок і вимивання кальцію та фосфору. Практичне застосування ГК. ГК та їх синтетичні аналоги широко застосовуються при алергічних та аутоімунних захворюваннях (ревматизмі, бронхіальній астмі, артритах та ін.) як десенсибілізуюючі, протизапальні та імунодепресивні засоби. 180 Мінералокортикоїди фільтрат Альдостерон транспортується з кров’ю у компліксі з альбумінами. Тканини-мішені: - клітини епітелію дистальних канальців нирок, які мають відповідні циторецептори. Механізм дії. Альдостерон, як ліпофільний гормон, проникає до альдостерон цитоплазми клітин, зв’язується з цитозольним рецептором, ГРядро комплекс проходить в ядро, активує транскрипцію генів, які несуть хроматин рецептор інформацію про структуру тих білків, що беруть участь у м-РНК транспорті іонів натрію крізь ЦТК клітинну мембрану. Таким чином, посилюється реабсорбція натрію АТФ білок насос та хлору з сечі до міжклітинної + + Na+ Na Na АДФ рідини та далі до крові, в результаті чого натрій затримується в кров організмі. Одночасно втрачається калій (в обмін на натрій). Продукція альдостерону контролює ренін-ангіотензінова система (каскад реакцій часткового протеолізу), а також АКТГ і простагландін Е. РЕНІН-АНГІОТЕНЗИНОВА СИСТЕМА: Зменшення об’єму циркулюючої крові Стеноз ниркової артерії Зменшення перфузійного тиску в нирках Збільшення об’єму циркулюючої крові Виділення ренину ангіотензиноген I α-глобулін, синтезується в печінці ренін - протеолітичний фермент, синтезується в юкстагломерулярних клітинах нирок при зниженні кров’яного тиску ангіотензин I ангіотензинперетворюючий фермент ангіотензин II спрага виділення вазопресину затримка води віділення альдостерону затримка Nа+ звуження судин 181 Порушення гормональної функції надниркових залоз Гіпокортицизм - дефіцит усіх КС та змішані зміни метаболізму. Зниження продукції кортизолу та/або альдостерону спостерігається при багатьох захворюваннях гіпоталамуса та гіпофиза: дефіциті кортикотропину (АКТГ) та кортиколіберину (КЛ), первинної гіпоплазії надниркових залоз, спадкових вадах біосинтезу гормонів, руйнуванні кортикального шару (туберкульоз), аутоімунних процесах, крововиливах, гострих інфекціях. Адиссонова хвороба (“бронзова хвороба") – найчастіша форма гіпокортицизму. Нестача ГК призводить до гіпоглікемії та зниженню стійкості організму до стресів. Суттєво порушується водно-мінеральний обмін через нестачу альдостерону, відбувається втрата організмом натрію та води та накопичення калию. Симптоматика складається з м’язової слабкості (до повного безсилля), тому що знижується збудливість м’язів через порушення калій-натрієвого градієнту на мембрані, анорексії, втрати ваги, низького артеріального тиску та гіперпігментації шкіри, часто патологічної потреби в солі при дефіциті мінералокортикоїдів, шлунковокишковими розладами. Спадкові форми глюкокортикоїдної недостатності відрізняються від набутих форм збереженням мінералокортикоїдних функцій. Гіперкортицизм - підвищена секреція усіх КС або будь-якої групи КС. Кортикостерома - пухлина надниркових залоз (посилений синтез кортизолу); Хвороба Іценко-Кушинга - ураження гіпоталамо-гіпофизарної системи (посилений синтез АКТГ). Може також виникати при тривалому прийомі високих доз кортикостероїдних препаратів. Надлишок кортизолу призводить до суттєвого порушення метаболізму, викликаючи гіперглюконеогенез, тобто надмірне перетворення білків на вуглеводи. Цей стан характеризується втратою м’язової маси, зниженою вуглеводною толерантністю, тобто зниженим надходженням глюкози з крові до тканин (що проявляється аномальним зростанням концентрації цукру в крові при його надходженні з їжою). Це стимулює синтез інсуліну, отже і утилізацію глюкози тканинами, що призводить до ожиріння. Хворі мають луноподібне обличчя, шкіряні стрії, спостерігається стоншення кінцівок. В подальшому може розвитися і цукровий діабет (“стероїдний діабет”) з кетонемією та кетонурією. Спостерігається атрофія підшкірної сполучної тканини, остеопороз (демінералізація кісткової тканини), важка гіпертонія (за рахунок адреналіну та альдостерону). Хвороба Кона (альдостеронізм) – надлишкова секреція переважно альдостерону, в результаті чого затримується NаСl та збільшується осмотичний тиск міжклітинної рідини. Це є сигналом для вивільнення вазопресину, який посилює реабсорбцію води в нирках. Симптоматика: набряки, збільшена збудливість міокарду, гіпертонія. 182 Чоловічі статеві гормони Чоловічі статеві гормони – андрогени: тестостерон, андростерон, дигідротестостерон. ГЛ гипофиз сперматогенез тестостерон Андрогени синтезуються в сім’яниках, а також частково в надниркових залозах, яєчниках та плаценті. Їх синтез проходить під контролем гонадотропних гормонів гіпофізу – лютеїнезуючого (ЛГ) і фолікулостимулюючого (ФСГ), які виробляються під впливом рилізінг-фактора гіпоталамуса – гонадоліберину (ГЛ). ФСГ стимулює сперматогенез у сім’яниках, а ЛГ сприяє продукції тестостерону цією залозою. гипоталамус ФСГ C19 ЛГ семенники надпочечники яичники плацента тестостерон Концентрація тестостерону знаходиться під контролем негативного зворотного зв’язку: збільшена кількість цього гормону викликає зниження продукції гонадотропінів – ФСГ і ЛГ. Андрогени транспортуються по крові у вигляді комплексу з глікопротеїном – тестостеронзв’язуючим глобуліном. Як і стероїдні гормони, діють за цитозольним механізмом на хроматин клітинмішеней, стимулюючи експресію генів, тобто синтез відповідних білків. Андрогени забезпечують: - збільшення м’язової маси; - розвиток статевих органів; - статевий розвиток у пубертатному періоді; - розвиток вторинних статевих ознак; - стимуляцію сперматогенезу; - статеву диференціацію гіпоталамуса під час ембріогенезу; - розвиток і мінералізацію епіфізів кісток; - розвиток мозку і пам’яті; - поведінкові реакції 183 Впив андрогенів на обмін речовин Белковий обмін активують синтез ДНК; сприяють транскрипції специфічних генів; посилюють трансляцію. У результаті андрогени значно посилюють біосинтез білків (анаболічний ефект значно вище, ніж у естрогенів), сприяють позитивному азотистому балансу. Вуглеводний і ліпідний обміни шляхом стимуляції синтезу катаболічних білков-ферментів вторинно посилюють мобілізацію енергетичних резервів з депо (внутрішньоклітинний ліполіз, аеробне згорання вуглеводів і ВЖК), що забезпечує енергією біосинтез білків; активують синтез структурних фосфогліцеридів і полісахаридів. Концентрація тестостерону в сироватці крові циклічно змінюється протягом доби. Максимальна – з 7 до 9 годин ранку, мінімальна – з 0 до 3 годин ночі. Надлишкова секреція андрогенів пухлинами надниркової залози призводить до маскулінізації. Пухлини надниркових залоз можуть виробляти також естрогени, особливо у чоловіків, призводячи до фемінізації. Гіпофункція -– євнухоїдізм – недорозвиток статевих органів і вторинних статевих ознак, подовження кінцівок, атрофія скелетної мускулатури, надлишкове відкладення жиру, порушення коркових процесів гальмування. Синтетичні аналоги андрогенів – стероїдні анаболіки – нероболіл, ретаболіл та ін. - мають анаболічну активність, на порядок вищу за активність тестостерону. Їх використовують при схудненні, анемії, недостатності зросту, негативному азотистому балансі. Введення до організму анаболічних стероїдів, які є аналогами природних гормонів, призводить до зростання концентрації цих гормонів у крові. За принципом зворотного зв’язку екзогенні гормони впливають на гіпоталамо-гіпофізарну систему, даючи тій сигнал про призупинення продукції своїх, ендогенних гормонів. Тому більшість негативних ефектів після закінчення прийому анаболічних стероїдів виникають саме через те, що організм вже не здатний виробляти андрогени самостійно. 184 . Жіночі статеві гормони C21 C18 Виділяють дві групи жіночих статевих гормонів, які відрізняються за структурою і біологічною функцією: естрогени (естрадіол) і прогестіни (прогестерон). естрадіол прогестерон . Жіночі статеві гормони синтезуються в яєчниках і жовтому тілі, а також у надниркових залозах, сім’яниках і плаценті. Секреція гонадотропінів задає тон циклічним процесам у організмі жінки. Яєчниковий (оваріальний) цикл має три фази: 1 – фолікулінова фаза (13-14 днів): під впливом гипоталамус фолітропіну (ФСГ) починається зростання і дозрівання фолікула яєчника. Його клітини виробляють естрогени: естрадіол, який ГЛ перетворюється на естрон і естріол. Виділення в кров естрогенів пригнічує секрецію ФСГ (негативний зворотний зв’язок) і стимулює продукцію гіпофізом лютропіну (ЛГ) (позитивний зворотний зв’язок). Відбувається овуляція, на місці фолікула, що розірвався, утворюється жовте тіло, а яйцеклітина гіпофіз просувається до слизової оболонки матки. Це закінчення фолікулярної фази (високий рівень естрогенів і низький рівень прогестинів). 2 – лютеїнова фаза (9-10 днів): жовте тіло під впливом лютеїнезуючого гормону (ЛГ) секретує ФСГ ЛГ прогестерон, який підготовлює ендометрій до імплантації яйцеклітини. Якщо запліднення не відбулося, то жовте тіло дегенерує і друга фаза закінчується (високий рівень прогестерону, фолікул жовте тіло низький рівень естрогенів). 3 – інволюція жовтого тіла (3-4 дні) – відсутність секреції естрогенів і прогестерону. естрогени прогестерон Біологічна роль жіночих статевих гормонів Естрогени розвиток жіночих статевих органів; забезпечують: формування вторинних статевих ознак; регуляцію проліферації ендометрію; формування психічного статусу жінки; протікання вагітності та родів; розвиток молочних залоз і підготовка до лактації. 185 гальмування скорочення матки і маточних труб; підготовку ендометрію до імплантації заплідненої яйцеклітини; розвиток матки, формування родових шляхів; розростання молочних ходів і лактацію; зниження сексуальної реактивності. Механізм дії жіночих статевих гормонів – цитозольний. Вплив на обмін речовин Білковий обмін. Як ліпофільні стероїди, жіночі статеві гормони впливають на активність специфічних генів у хромосомах і індукують синтез специфічних білків. Вони є сильними анаболіками, забезпечують позитивний азотистий баланс. Забезпечують синтез колагену, посилюють мінералізацію кісток. Вуглеводний обмін. Будучи індукторами білків-ферментів стимулюють гліколіз і пентозо-фосфатний шлях. При цьому організм отримує енергію для анаболічних процесів і фосфопентози для синтезу нуклеїнових кислот, що необхідно для біосинтезу білків. Ліпідний обмін. Сприяють швидкому оновленню ліпідів, перешкоджають накопиченню жирів у печінці та жировій тканині, сприяють виведенню холестерину з організму (риск розвитку атеросклерозу у жінок репродуктивного віку нижче, ніж у чоловіків). Шляхом хімічного синтезу отримують речовини, які не є ідентичними гормонам, але здатні зв’язуватися з рецепторами. естриол Синтетичні ліганди, які викликають той самий ефект, як і природні гормони, мають назву агоністів гормонів. Наприклад, ХГ синтетичним шляхом отримані оральні прегнандіол контрацептиви, агоністи естрагенів і прогестерону. Ліганди, які зв’язуються з рецептором, але не викликають біологічного ефекту, мають назву антагоністів. Антагоністи блокують дію ендогенних строк вагітності, дні гормонів. Антагоністи гормонів Хоріонічний гонадотропін (ХГ) – застосовують у терапії пухлин. Для того, гормон плаценти людини. щоб оцінити, чи є ця пухлина Ембріон секретує ХГ, завдяки якому гормонзалежною і чутливою до дії зберігається жовте тіло: естрадіол і антагоністів, необхідно на пробі тканини прогестерон, які воно продукує, підтримують визначити рівень експресії гормональних цілість ендометрію. Після імплантації зародка починає розвиватися плацента, що рецепторів. продовжує секретувати ХГ, який досягає Прогестерон (гормон вагітності) забезпечує: 186 найбільшої концентрації приблизно на другому місяці вагітності. Визначення концентрації ХГ у крові та сечі лежить в основі тестів на вагітність. Гормональна регуляція обміну кальцію Кальцій є важливим хімічним елементом для організму людини, виконуючи різноманітні функції: структурну – входить до складу кісток, зубів; нервово-м’язову – індукує м’язове скорочення, забезпечує контроль збудливості; ферментативну – є кофактором багатьох ферментів; сигнальну – є внутрішньоклітинним вторинним месенджером; бере участь у згортанні крові; регулює проникність клітинних мембран; Організм дорослої людини містить приблизно 1 кг кальцію, 99% якого входить до складу скелету. У міжклітинній рідині міститься близько 20 ммоль кальцію, з яких майже половина – у плазмі крові. Концентрація кальцію в плазмі крові є важливою гомеостатичною константою: 2,24 – 2,85 ммоль/л. Кальцій у плазмі крові знаходиться у вигляді трьох основних форм: іонізований кальцій зв’язаний з білками (сироватковими альбумінами) у вигляді солей з аніонами органічних і неорганічних кислот Гомеостаз кальцію визначається функціонуванням остеоцити таких анатомо-фізіологічних систем. остеобласти Кісткова тканина – резервуар кальцію – не інертна у метаболічному плані, між нею та міжклітинною рідиною відбувається активний обмін кальцієм. Завдяки діяльності остеобластів утворюється нова кісткова тканина, йде мінералізація остеоїду (1); остеокласти беруть участь у резорбції кістки, тобто забезпечують вихід кальцію в кров (2). остеокласти кістки 1 5 2 6 3 4 Нирки, у клубочках яких відбувається фільтрація іонів кальцію (3), але більша частина цих іонів потім реабсорбується в ниркових канальцях (4). Са2+ кровь Тонкий кишечник, у верхніх відділах якого всмоктується (5) харчовий кальцій. Той кальцій, що входить до складу секретів шлунково-кишкового тракту, частково реабсорбується (6) разом з харчовим кальцієм. 187 Постійна концентрація кальцію в крові підтримується у вузькому діапазоні завдяки гормональному контролю. Паратиреоїдний гормон Паратгормон (паратиреоїдний гормон) продукується С-клітинами паращитоподібної залози у відповідь на зниження концентрації іонів кальцію в плазмі крові. Одноланцюговий поліпептид (84 амінокислоти), утворюється з прогормону шляхом часткового протеолізу. Деградація в печінці відбувається через 30 хвилин. Вплив на обмін – підвищує концентрацію кальцію в крові та знижує концентрацію фосфору. Механізм дії – мембранно-внутрішньоклітинний. Тканини – мішені: кістки, нирки, кишечник. Кісткова тканина: знижує концентрацію колагену в остеобластах; підвищує активність остеокластів, що призводить до резорбції кістки та виходу кальцію в кров; через цАМФ інгібує активність ізоцитратдегідрогенази (фермент ЦТК), що веде до накопичення ізоцитрату та цитрату, які зв’язують кальцій і виводять його в кров; посилює накопичення лактату, що також призводить до виведення кальцію з кісток. Нирки: підвищує реабсорбцію кальцію і виведення фосфору, зберігаючи кальцій для організму; стимулює продукцію 1,25-діоксіхолекальциферол – активного вітаміну D. Кишечник: опосередковано стимулює всмоктування кальцію в кров шляхом активації синтезу кальцитриолу (який безпосередньо активує всмоктування кальцію). Паратгормон підвищує концентрацію кальцію в крові Гіпопаратиреоз Може розвитися в результаті помилкового видалення паращитоподібної залози під час операції на щитоподібній залозі. У крові знижується концентрація кальцію і зростає концентрація фосфору. Характеризується відчуттям занімілості кінцівок, тетанічними судомними скороченнями деяких м’язів (від фібрілярних посмикувань до сильних судом), спазмами гортані. Гіперпаратиреоз - хвороба Реклінгаузена Розвивається при гормонально активних пухлинах паращитоподібних залоз. При цьому зростає концентрація кальцію в крові знижується, а фосфору – зростає, визначається фосфатурія. Різке враження кісткової тканини, остеопороз – демінералізація кісток (до порушення матриксу кісткової тканини через те, що порушений синтез колагену). Кальцій накопичується в нирках, розвивається сечокам’яна хвороба (оксалати кальцію). 188 Кальцитріол Кальцитріол - 1,25-діоксіхолекальциферол - 1,25(ОН)2D3 - активна форма жиророзчинного вітаміну D3 (холекальциферолу), який може як надходити з продуктами тваринного походження (екзогенний вітамін), так і синтезуватися в організмі людини з холестерину. холестерин Тканина-мішень: кишечник Механізм взаємодії з клітиною – цитозольний. Як стероїдний ліпофільний гормон, кальцитріол надходить в клітину, де знаходиться рецептор. Гормонрецепторний комплекс зв’язується з хроматином і стимулює експресію генів, відповідних за синтез Ca-зв’язуючих білків. Ці білки сприяють усмоктуванню кальцію в кишечнику проти градієнту концентрації. 7-дегідрохолестерин шкіра УФсвітло кальциол (D3) печінка кальцидіол (25-ОН-D3) нирки кальцитріол (1,25-(ОН)2-D3) Кальцитріол забезпечує фізіологічну концентрацію кальцію і фосфатів у крові Рахіт – захворювання, спричинене нестачею надходження з їжею або порушенням синтезу в організмі вітамінів D (гіпо- або авітаміноз). Основним проявом є гіпокальциемія і гіпофосфатемія, що призводять до порушення кальцифікації кісток і специфічним зміненням скелета. Кальцитонін Кальцитонін продукується с-клітинами щитоподібної залози. Одноланцюговий поліпептид (32 амінокислоти), виробляється у вигляді прогормону, активується шляхом часткового протеолізу. Секреція регулюється іонами кальцію, глюкагоном і гастрином. Тканини-мішені: кісткова тканина. Кальцитонін пригнічує функцію остеокластів і гальмує їх утворення з клітин-попередниць (моноцитів). Таким чином, інгібує резорбцію як органічної, так і неорганічної частини кісткового матриксу. фолікул колоїд С-клітини капіляр Кальцитонін знижує концентрацію кальцію в крові 189 Ейкозаноїди Ейкозаноїди – це гормони місцевої дії, похідні С20-полієнових жирних кислот, головним чином арахідонової кислоти. Вони утворюються в невеликій кількості у всіх органах і тканинах людини (крім еритроцитів), у яких вони виявляють різноманітні, але короткочасні ефекти. Джерелом ейкозаноїдів є лінолева кислота, яка є незамінним харчовим фактором. В організмі вона перетворюється на арахідонову кислоту, яка швидко включається до складу фосфоліпідів (ФЛ) практично усіх тканин. Вільна арахідонова кислота також є біологічно активною сполукою. Однак більш суттєве значення мають її метаболіти: простагландини, простацикліни, тромбоксани і лейкотрієни, які мають групову назву ейкозаноїди (від грец. еikosi - 20). харчові незамінні жирні кислоти (вітаміни F): лінолева фосфоліпіди мембран ліноленова глюкокортикоїди фосфоліпаза А2 арахідонова аскорутин аспірин метиндол арахідонова кислота С20 простагландинсинтаза ендопероксиди 190 простагландини простацикліни ліпооксигеназа лейкотрієни тромбоксани Біосинтез ейкозаноїдів починається з вивільнення арахідонової кислоти з ФЛ під впливом тканинних фосфоліпаз (А2 і С). Потім під дією поліферментного комплексу – простагландинсинтази, до складу якого входить циклооксигеназа (ЦОГ), утворюються біоактивні проміжні продукти – ендопероксиди, з яких потім синтезуються різні простагландини (ПГ). У стінках судин з ендопероксиду утворюється особливий тип – ПГ12 – простациклін (ПЦ). У тромбоцитах і тучних клітинах з ендопероксиду синтезуються тромбоксани (ТХ) – сполуки з шестичленним кільцем; У лейкоцитах арахідонова кислота за допомогою ліпооксигенази перетворюється на ациклічні ненасичені лейкотрієни (ЛТ). Вражаюча різноманітність метаболічних ефектів і високу активність ПГ пов’язують з іх впливом на метаболізм через клітинні посередники. Ейкозаноїди діють як на синтезуючі їх клітини (аутокринна дія), так і на сусідні клітини (паракринна дія), як локальні біорегулятори шляхом зв’язування з мембранними рецепторами недалеко від місця їх синтезу. У деяких випадках їх дія опосередкована цАМФ і цГМФ. Ейкозаноїди виконують надзвичайно різнобічні фізіологічні функції. Вони служать вторинними месенжерами гідрофільних гормонів, контролюють скорочення гладенької м’язової тканини (кровоносних судин, бронхів, матки), беруть участь у вивільненні продуктів внутрішньоклітинного синтезу (гормонів, НСl, мукоїдів), впливають на метаболізм кісткової тканини, периферичну нервову систему, імунну систему, пересування і агрегацію клітин (лейкоцитів і тромбоцитів), виступають ефективними лігандами больових рецепторів. Дія багатьох протизапальних препаратів заснована на гальмуванні синтезу цих медіаторів. Глюкокортикоїди та їх синтетичні аналоги блокують фосфоліпазу А2, негормональні засоби – метиндол, аспірин, диклофенак та ін. – інгібують ЦОГ. Цим пояснюється болезаспокійлива, жарознижуюча і антиревматична дія цих препаратів. У шлунку такі препарати пригнічують синтез простагландинів, які стимулюють виділення мукоїдів, що захищають слизову оболонку від дії протеолітичних ферментів. Тому тривалий прийом ацетилсаліцилової кислоти може викликати виразкову хворобу шлунка і дванадцятипалої кишки. Важливу роль у розвитку тромбозу відіграє співвідношення простациклін/ тромбоксан у стінці судини. ТХ А сприяє утворенню тромбів, адже він викликає агрегацію тромбоцитів і має судинозвужувальну дію, ПЦ перешкоджає тромбоутворенню і активує фібриноліз. Цим пояснюється антитромботичний ефект нестероїдних протизапальних препаратів (аспірину, метиндолу). Аскорутин інгібує ліпооксигеназу, у зв’язку з чим впливає на проникність судин. 191 Тести з теми “Гормональна регуляція обміну речовин” 1.Відомо, що в деяких біогеохімічних зонах розповсюджене захворювання на ендемічний зоб. Дефіцит якого біоелемента викликає це захворювання? А. Йода В. Заліза С. Цинка D. Міді Е. Кобальта 2.Хворий 45 скаржиться на невгамовну спрагу, споживання великої кількості рідини (до 5 л), виділення значної кількості сечі (до 6 л на добу). Концентрація глюкози крові становить 4,4 ммоль/л, рівень кетонових тіл не підвищений. Сеча незабарвлена, питома вага 1,002; цукор у сечі не визначається. Дефіцит якого гормону може призводити до таких змін? А. Вазопресину В. Альдостерону С. Інсуліну D. Глюкагону Е. АКТГ 3. У хворого виявлено різке похудання, підвищену подразливість, невелике підвищення температури тіла, екзофтальм, гіперглікемію, азотемію. Яке це захворювання? A. Базедова хвороба B. Бронзова хвороба C. Невроз D. Туберкульоз наднирників E. Мікседема 4.Хворий знаходиться у стані гіпоглікемічної коми. Укажіть передозування якого гормону може привести до такої ситуації. А. Інсулін В. Прогестерон С. Кортизол D. Соматотропін Е. Кортікотропін 5.Тестовим показником розвитку пухлини мозкової частини наднирників є рівень гормонів: А. Катехоламінів В. Мінералокортікоїдів С. Глюкокортікоїдів D. Статевих гормонів Е. Кортиколіберинів 192 6. До лікаря звернувся хворий із скаргами на постійну спрагу. Виявлена гіперглікемія, поліурія та підвищений вміст 17-кетостероїдів у сечі. Яке захворювання ймовірне? A. Стероїдний діабет B. Інсулінозалежний діабет C. Мікседема D. Глікогеноз I типу E. Аддісонова хвороба 7. Пацієнт скаржиться на м’язеву слабкість та потемніння шкіри всього тіла. При обстеженні – низький артеріальний тиск, гіпоглікемія. Яку хворобу можна запідозрити? A. Хворобу Аддісона B. Мікседему C. Інсулома ( з підвищенною продукцією інсуліну) D. Синдром Іценко-Кушинга E. Пелагра 8. У хворого головний біль, огрубіння голосу, погіршення пам'яті. При огляді збільшення надбрівних дуг, носа, язика. Аналіз сечі без особливих змін. Причиною такого стану може бути: A. Гіперпродукція соматотропіну B. Нестача глюкагону C. Нестача тироксину D. Нестача альдостерону E. Гіперпродукція кортикостероїдів 9. Продуктами гідролізу та модифікації деяких білків є біологічно активні речовинигормони. Вкажіть, з якого із приведених білків в гіпофізі утворюються ліпотропін, кортикотропін, меланотропін та ендорфіни? A. Проопіомеланокортин (ПОМК) B. Нейроальбумін C. Нейростромін D. Нейроглобулін E. Тиреоглобулін 10. Хвора скаржиться на сухість в роті, спрагу, почащений сечоспуск, слабкість. При біохімічному дослідженні крові -гіперглікемія, гіперкетонемія. В сечі - глюкоза, кетонові тіла. На електрокардіограмі дифузні зміни в міокарді. У хворої вірогідно: A. Цукровий діабет B. Аліментарна гіперглікемія C. Гострий панкреатит D. Нецукровий діабет E. Ішемічна хвороба серця Еталони відповідей: 1- А; 2 – А; 3 – А; 4 – А; 5 – А. 193 Зміни метаболізму залежно від прийому їжі Постійне надходження в організм з їжею (живлення) певної кількості живильних речовин є необхідною умовою життя людини. Завдяки цьому забезпечується нормальний метаболізм і динамічний стан всіх молекул і клітинних структур. При цьому живлення буває нерегулярним, а, значить, надходження живильних речовин в організм – нерівномірним. Щоб компенсувати перерви в живленні, органи і тканини організму виконують депонуючі функції. Абсорбтивний період Абсорбтивний період -(всмоктування) триває від двох до чотирьох годин (починаючи з їжею). При цьому за рахунок всмоктування в кишечнику підвищується концентрація в плазмі крові глюкози, амінокислот та жирів (ТАГ). В результаті у ряді органів і тканин посилюються анаболічні процеси, направлені на депонування живильних речовин. Характеризується високим співвідношенням інсулін/глюкагон. Печінка. Глюкоза, що поступила в печінку перетворюється переважно на глікоген, який депонується в печінці, на триацилгліцериди (жири), які у вигляді ЛПОНП поступають в кров . Жирова тканина. Ліпопротеїни доставляють в жирову тканину ресинтизированные жири з кишечника (у складі хіломікронів) і синтизуванні в печінці ТАГ (у складі ЛПДНЩ ). М'язова тканина. Амінокислоти, що транспортуються кров'ю, запасаються у вигляді білків, а глюкоза – у вигляді глікогену. Мозок та серцевий м'яз. Ці органи використовують глюкозу як основне джерело енергії, що потрапляє з кров'ю від кишечника. амінокислоти глюкоза білки глікоген жири жири 194 жири глікоген Постабсорбтивний період Через декілька годин після припинення надходження їжі починається використовування організмом запасених енергетичних резервів. Сигналом для мобілізації запасів є зміна секреції гормонів підшлунковою залозою. Якщо у фазу абсорбції було високим співвідношення інсулін/глюкагон, то в постабсорбтивному періоді зменшується секреція інсуліну, а зростає - глюкагону. В результаті починається розщеплювання запасних речовин: жирів, білків, глікогену . Печінка. Посилюється розпад глікогену, внаслідок чого утворюється глюкоза, яка виходить в кров і споживається перш за все мозком та еритроцитами, тобто клітинами, що не мають власних резервів глюкози. При подальшому голодуванні в печінці активується глюконеогенез – синтез глюкози з амінокислот, що поступили з м'язів (внаслідок розпаду білків) та гліцерину, доставленого з жирової тканини (в результаті розпаду жирів). Вищі жирні кислоти (ВЖК), які також приносяться кров'ю в печінку з жирової тканини, перетворюються на кетонові тіла – основний енергетичний субстрат для позапечінкових тканин в постабсорбтивному періоді (особливо для серцевого м'яза і мозку, якщо інші енергетичні резерви вичерпані, наприклад, при тривалому голодуванні ). амінокислоти білки глікоген глюкоза гліцерин жири гліцерин ВЖК глікоген глюкоза кетонові тіла Энергетичні резерви вичерпані ВЖК М'язи. Запаси глікогену знижуються. Глюкоза, що утворюється при цьому, використовується м'язовою тканиною для власних потреб. Білки розпадаються до амінокислот, які з кров'ю поступають в печінку і перетворюються на глюкозу (глюконеогенез). Жирова тканина. Посилюється ліполіз, вільні жирні кислоти, що утворилися, транспортуються кров'ю (в комплексі з альбумінами) в тканини, де вони є джерелами енергії (окрім мозку та еритроцитів). 195 Біохімія крові Функції крові гази в крові Транспортна функція: перенесення газів (дихальна функція) кисню та вуглекислого газу. Тобто забезпечення тканин киснем і виведення СО2; перенесення поживних речовин (трофічна функція) до печінки та інших органів після всмоктування в кишечнику. Такий транспорт забезпечує постачання органів і тканин необхідними речовинами для життєдіяльності ; перенесення метаболітів, забезпечуючи обмін речовин в тканинах і органах; подальше перенесення кінцевих продуктів метаболізму (екскреторна функція) для їх виведення з організму легенями, печінкою та нирками; транспорт гормонів (регуляторна функція) від ендокринних залоз до тканин-мішеней . Підтримання гомеостазу: підтримання водного балансу між клітинним простором і позаклітинним середовищем; підтримання температури тіла шляхом контролю кров'ю транспорту тепла; підтримання кислотно-основної рівноваги, тобто рН крові, яке регулюється легенями, нирками та печінкою. Захисна функція: в крові містяться клітини імунної системи і антитіла, що захищають організм від чужорідних молекул та клітин; згортальна система крові захищає організм від крововтрат при пошкодженні кровоносних судин; антизгортальна система крові запобігає утворення тромбів шляхом розчинення кров'яних згустків (фібриноліз). 196 поживні речовини, метаболіти, кінцеві продукти метаболізму гормони клітина позаклітинний простір клітини імунної системи згортання крові антитіло фібриноліз Кров людини складає приблизно 8% від маси тіла. Вона складається з клітин, клітинних фрагментів та водного розчину, тобто плазми. Частка клітинних елементів в загальному об'ємі називається гематокритом і складає приблизно 45 %. СКЛАД КРОВІ плазма (55 – 60%) вода (90 – 92%) формені елементи (40 – 45%) сухий залишок (8 – 10%) еритроцити 44% неорганічні сполуки 59% органічні сполуки Nа+, К+, Са2+, Mg2+, F2+ Сl-, НСО3-, НРО42- и др. небілкові сполуки 6,5% нейтрофільний моноцит гранулоцит 31% білки (7 – 8%) малий великий лімфоцит азотовмісні сечовина сечова кислота креатин,креатинін амінокислоти аміак, індикан білірубін (залишковий азот) безазотисті глюкоза піруват лактат ТАГ холестерин 2,4% альбуміни (4,5%) глобуліни (2–3,5%) 0,6% эозинофіл базофіл гранулоцит лейкоцити фібриноген (0,3%) тромбоцити Електроліти плазми крові. Неорганічні речовини плазми представлені катіонами (основний з них натрій) та аніонами (основні – хлор та бікарбонат), причому, сума аніонів і катіонів практично однакова, тобто вся система електронейтральна. Електролітний склад плазми крові близький до такого в морській воді. Мінеральні речовини, присутні в крові в дуже малих кількостях, називаються мікроелементами. До них відносяться йод, мідь, цинк, кобальт, селен та ін. Як правило, вони знаходяться в плазмі в пов'язаному з білками стані. 197 Білки плазми крові Плазма крові містить суміш білків, що розрізняються як за походженням, так і по виконуваній функції. Визначення вмісту загального білка плазми крові – найважливіший елемент комплексу лікувальних та профілактичних заходів вже на початкових етапах надання медичної допомоги. Функції білків крові: підтримання онкотичного тиску (за рахунок альбумінів); транспортна функція – перенесення живильних речовин, метаболітів, гормонів, лікарських речовин; підтримання в'язкості крові; участь в згортанні крові (білкові фактори згортальної та протизгортальної систем); підтримання рН крові (білкова буферна система); підтримання імунітету (імуноглобуліни); підтримання рівня катіонів в крові; резерв амінокислот. Електрофореграмма білків сироватки крові Плазма крові людини містить близько 100 різних білків. Вони володіють різною структурою і, отже, відрізняються за фізикохімічними властивостями, зокрема, по рухливості в електричному полі. При цьому сироваткові білки, які крізь наявність надмірного негативного заряду рухаються до анода, розділяються на п'ять основних фракцій: альбумін, α1-, α2-, β - і γ-глобуліни. альбумін α1- α2- β- γ-глобуліни Альбуміни – найрухоміша гетерогенна фракція білків, яка має яскраво виражені гідрофільні властивості. Завдяки цим властивостям вони підтримують онкотичний тиск, тому при зниженні їх концентрації вода виходить з кров'яного русла в тканині і розвиваються набряки. Альбуміни також транспортують по крові багато низькомолекулярних гідрофобних метаболітів (ліпіди, вітаміни, гормони, жовчні пігменти), а також ряд лікарських препаратів. 198 Характеристика окремих білків плазми крові Глобуліни – гетерогенна білків плазми крові, що головним чином транспортну (перенесення ліпідів, іонів гормонів і ін.), а також захисну (β - і γ-глобуліни). фракція виконує функцію металів, функцію α2-Макроглобулін – глікопротеїн α2глобулінової фракції, універсальний інгібітор протеїназ. Регулює систему тканинного протеоліза, бере участь в таких процесах, як згортання крові, фібриноліз, реакції запалення, судинного тонусу і др. α1-Антитрипсин – гликопротеїн, що інгібірує активність протеолітичних ферментів (трипсину, хімотрипсину, плазміну, тромбіну і ін.). При запаленні, а також про гострому панкреатиті, різко посилюється синтез цього білка в печінці, а значить, збільшується його інгібіторна активність. Гаптоглобін – білок α2-глобулінової фракції, володіє здатністю зв'язуватися з гемоглобіном і у вигляді комплексу транспортувати гемоглобін в РЕС, де гемоглобін окислюється до жовчних пігментів. Це сприяє збереженню в організмі іонів заліза, що входить до складу гемоглобіну. Трансферин – глікопротеїн β-глобулінової фракции, має здатність звязувати іони заліза (Fе3+) та транспортувати їх до місця депонування та використання. Церулоплазмін – білок плазми крові, основною функцією якого є зв’язування іонів міді (Сu+), а також ферментативна активність при окисленні вітаміну С, адреналіну і ін. Різьке зниження цього білка в плазмі крові - характерне для гепато-церебральної дистрофії (хвороби Коновалова-Вільсона), при цьому іони міді виходять з кров'яного русла і нагромаджуються в сполучній тканині, приводячи до патологічних змін в печінці, головному мозку і ін. Криоглобулин – γ-глобулін, що з'являється в крові тільки при патологічних станах: мієломі, цирозі печінки, нефрозі, лейкозі, ревматизмі і ін. При температурі нижче 37°С цей білок випадає в осад. С-реактивний білок – білок «гострої фази», оскільки з'являється в сироватці крові в гострий період захворювання, що супроводжується запаленням і некрозом тканин (в нормі цей білок в крові відсутній). Інтерферони – специфічні білки, синтезуються у відповідь на вірусну інфекцію. Вони пригноблюють розмноження вірусних клітин, але не руйнують вже наявні віруси. 199 Більшість білків плазми синтезується в гепатоцитах. Винятком є імуноглобуліни, що виробляються клітинами імунної системи. В клініці зустрічаються стани, що характеризуються зміною як загальної кількості білків плазми крові, так і порушенням співвідношення фракцій білків. Гіперпротеїнемія – підвищення загального змісту білків в плазмі крові: відносна гіперпротеїнемія – виникає при втраті води організмом; абсолютна гіперпротеїнемія – виникає в основному за рахунок підвищення фракції імуноглобулінів при запаленні або інфекційних захворюваннях. Гіпопротеїнемія – зниження загального білка в плазмі крові в основному за рахунок зниження кількості альбумінів – виникає при ураженні нирок, печінки, при збільшенні проникності стінок капілярів, а також при білковому голодуванні. Парапротеїнемія – поява в крові аномальних білків, наприклад, при мієломній хворобі в крові виявляються специфічні «мієломні білки». Діспротеїнемія – зміна процентного співвідношення різних фракцій білків, спостерігається при різних захворюваннях, які можна диференціювати при порівнянні протеїнограм: альбумін альбумін альбумін альбумін Нормальна протеинограма Запальний процес: зниження альбуміну підвищення γ-глобулинової фракції Циротичний тип: зниження альбуміну зниження α-глобуліну Підвищення β- и γ-глобулинів Нефротичний тип: значне підвищення α2-глобулину зниження усіх фракцій Ферменти плазми крові Секреторні ферменти синтезуються в печінці, в нормі секретуються в кров та каталізують конкретні реакції (напр., згортання крові). 200 Екскреторні ферменти Синтезуються в основному в печінці, в нормі екскретуються в складі жовчі. При порушенні їх виділення концентрація ферментів в крові зростає. Індикаторні ферменти клітинні ферменти. Потрапляють в кров при ураженні тіх органів, де вони находяться в нормі, являючись індикаторами ступеня ураження органа. Калікреїн-кінінова система Кініни – це біоактивні низькомолекулярні пептиди крові, що беруть участь в регуляції судинного тонусу, мікроциркуляції, розвитку запалення. Вони утворюються з неактивних кініногенів за допомогою протеолітичних ферментів калікреїнів, що знаходяться в крові в неактивному вигляді (прекалікреїни): кініногени прекалікреїни Запальна реакція: росширення судин; калликреины «Контрикал» «Гордокс» (протизапальні препарати) Кініни (брадикінін калідин) підвищення проникливісті судин; біль; кінінази алергічні реакції неактивні поліпептиди Небілкові азотовмісні сполуки крові Небілкові азотовмісні компоненти крові називають залишковим азотом (залишається в фільтраті після осадження білків крові). Небілковий (залишковий) азот крові складає в нормі 15 – 25 ммоль/л. Азотемія– підвищення залишкового азоту. Продукціонна азотемія – виникає при надмірному надходженні азотовмісних продуктів в кров (внаслідок посиленного розпаду тканинних білків при опіках, обширному запаленні, кахексії) Ретенціонна азотемія – виникає при порушенні виведення небілкових азотовмісних сполук. Ниркова ретенціонна азотемія виниває внаслідок погіршення екскреторної функції нирок. При цьому небілковий азот сечовини зростає до 90% Позаниркова ретенціона азотемія виникає внаслідок порушення кровообігу, зниження артеріального тиску та зменшення ниркового кровотоку 201 Кислотно-основний стан крові (КОС) рН = - lg[Н+] Активна реакція крові обумовлена співвідношенням водневих та гідроксильних іонів. Для визначення активної реакції крові використовують водневий показник рН – концентрацію іонів водню, яка виражається негативним десятковим логарифмом мольної концентрації водневих іонів. В нормі рН крові – 7,36 (реакція слабколужна); артеріальної крові – 7,4; венозної – 7,35. При різних фізіологічних станах рН крові може змінюватися від 7,3 до 7,5. Активна реакція крові є жорсткою константою, що забезпечує необхідну активність ферментів, істотні зміни рН крові не сумісні з життям. Крайні межі рН крові, сумісні з життям, дорівнюють 7,0 – 7,8. рН плазми логарифмічна шкала нМ [Н+] рН лінейна шкала ацидоз гіповентиляція; підвищене утворення Н+; знижене виведення Н+ алкалоз гіпервентиляція; підвищене виведення Н+ Ацидоз – надмірне накопичення в крові кислих сполук, одже надлишок вследствие водородних іонів Н+. Алкалоз –надмірне накопичення в крові лужних сполук, внаслідок зменшення протонів та накопичення гідроксильних іонів ОН-. В організмі людини завжди є умови для зсуву активної реакції крові у бік ацидозу або алкалозу, які можуть привести до зміни рН крові. В клітинах тканин постійно утворюються кислі продукти. Накопиченню кислих сполук сприяє споживання білкової їжі. Навпаки, при посиленому споживанні рослинної їжі в кров поступають основи. Підтримка постійноъ рН крові є важливою фізіологічною задачею і забезпечується буферними системами крові та фізіологічними механізмами – діяльністю легенів і системою виділення нирок. Буферні системи нейтралізують значну частину кислот і лугів, що поступають в кров, тим самим перешкоджаючи змінам активної реакції крові. В організмі в процесі метаболізму більшою мірою утворюється кислих продуктів. Тому запаси лужних речовин в крові у багато разів перевищують запаси кислих, і ці лужні запаси розглядають як лужний резерв крові. 202 Буферні системи крові Буферна система - це суміш слабкої кислоти з її сіллю (утворена з сильною лугою). Поява в плазмі сильної кислоти викликає реакцію буферних систем, в результаті якої сильна кислота перетворюється на слабку. Те ж відбувається при дії сильної луги, що аналогічно перетворюється на слабку. Унаслідок цього змін рН не відбувається або вони будуть мінімальними . Гемоглобінова буферная система на 75% забезпечує буферну ємкість крові. ННbO2 - оксигемоглобін - сильна кислота; ННb -відновлений гемоглобін – слабка кислота – донор протонів; КНb – калієва сіль гемоглобіну – основа – акцептор протонів. Оксигемоглобін є більш сильною кислотою, ніж відновлений гемоглобін. Оксигемоглобін звичайно буває у вигляді калієвої солі. З тканин в кров поступає велика кількість кислих продуктів розпаду. Одночасно в тканинних капілярах при діссоціації оксигемоглобіна відбувається віддача кисню та поява великої кількості лужних реагуючих солей гемоглобіну. Останні взаємодіють з кислими продуктами розпаду, наприклад, вугільною кислотою. В результаті утворюються бікарбонати та відновлений гемоглобін : КНb + Н2СО3 КНСО3 + ННb В капілярах легенів гемоглобін, віддаючи іони водню, приєднує кисень та стає сильною кислотою, яка зв'язує іони калію. ННb + О2 ННbO2 Іони водню використовуються для утворення вугільної кислоти, що надалі видаляється з легенів у вигляді Н2О и СО2. ННbO2 + КНСО3 КНbO2 + Н2СО3 Н2О + СО2 Бікарбонатна буферна система за своєю потужністю займає друге місце. Вона представлена вугільною кислотою (Н2СО3) та бікарбонатом натрію або калію (NaНСО3, КНСО3) в пропорції 1/20. Якщо в кров потрапляє більш сильна кислота, ніж вугільна, то в реакцію вступає, наприклад, бікарбонат натрію. Утворюються нейтральна сіль та вугільна кислота. Вугільна кислота під дією карбангідрази еритроцитів розпадається на Н2О та СО2, останній виділяється легенями в оточуюче середовище : Н+ + NaНСО3 Н2СО3 гіпервентиляція легенів Н2О + СО2 Якщо в кров потрапляє основа, то в реакцію вступає вугільна кислота, утворюючи гідрокарбонат натрію та воду. Надлишок бікарбонату натрію виводиться нирками: ОН- + Н2СО3 НСО3- + Н2О виведення нирками 203 Фосфатна буферная система Складає 1% буферної ємкості крові (в тканинах – це основна буферна система). NаН2РО4 – дигідрофосфат натрію – слабка кислота (донор протонів) взаємодіє з лужними продуктами, що потрапляють в кров: ОН- + Н2РО4НРО4-- + Н2О Nа2НРО4 - гідрофосфат натрію – сіль сильної луги (акцептор протонів) – взаємодіє з більш сильними кислотами: Н+ + Nа2НРО4 Н2РО4Ця буферна пара здатна працювати при змінах рН внутріклітинної рідини від 6,1 до 7,7. Білкова буферная система Здатна нейтралізувати кислоти та луги завдяки амфотерним властивостям. Білки залежно від рН можуть дисоціювати як кислоти та як основи. При змінах рН в лужну сторону дисоціація основних груп пригноблюється та білок поводиться як кислота (НPr). Зв'язуючи основу, ця кислота дає сіль NaPr. Із збільшенням рН зростає кількість білків у формі солі, а при зменшенні - росте кількість білків плазми у формі кислоти. Порушення кислотно-основної рівноваги Ацидоз – підвищення концентрації іонів водороду, т.ч. - зменьшення рН крови Н+ Метаболічний ацидоз. ОНВикликається надходженням в кров великих кількостей органічних та неорганічних кислот, при цьому здатність хімічних буферів нейтралізувати протони падає. Причини: надмірне введення протонів з їжею або ліками; кетоацидоз (цукровий діабет, голодування, лихоманка, печінкова кома, шок, післяопераційний період); лактатний ацидоз (кардіогенний шок, набряк легенів, травматичний шок, важка фізнагрузка, порушення водно-електролітного обміну при захворюваннях ШКТ); підвищена втрата бікарбонату натрію через кишечник (діарея, при гострій дизентерії або холері, хворобі Аддісона); нирковий ацидоз (при нефриті - обмеження виведення кислот з сечею, при гломерулонефриті - порушення виведення сульфатів та фосфатів з організму, порушення секреції протонів та реабсорбції бікарбонатів); застосування діуретиків - інгібіторів карбангідрази (контроль є обовязковим) Для купірування метаболічного ацидозу застосовують бікарбонат натрію, трісамін або лактат натрію (протипоказання - печінкова недостатність). 204 Дихальний (респіраторний) ацидоз. Це порушення КОС, що супроводжується підвищенням рСО2 артеріальної крові. Причини: зменьшення дихального об'єму легенів; порушення співвідношення вентиляція/кровотік в окремих ділянках легенів, при якому переважає кровотік крізь гіповентилюємі відділи. Спостерігається при гострій дихальній недостатності, обумовленій отруєнням наркотиками, барбітуратами, нападом бронхіальної астми, шоком, набряком легенів, а також при хронічній дихальній недостатності. Алкалоз – зниження концентрації водородних ионів, т.ч. зростання рН крові ОН- Н+ Метаболичний (нереспіраторний) алкалоз. Характеризуется недостатком органических и неорганических кислот в крови. При этом способность химических буферов крови нейтрализовать протоны возрастает. Перший вид - характеризується алкалозом крові та всіх тканин, виникає в результаті втрати кислих продуктів (частого блювання), аба від введення в організм надмірної кількості соди, трис-буфера . Другий вид - характеризується алкалозом крові та ацидозом тканин в результаті наступних причин: зменшення позаклітинного рідинного об'єму, що приводить до рефлекторного посилення виведення нирками протонів і реабсорбції бікарбонату натрію; внутріклітинного дефіциту калію (замість калію в клітини проникають протони); надмірного виведення іонів хлору з сечею. Розпізнавання цих видів проводиться методом виключення (за відсутності блювоти виявляється другий тип ). Дихальний (респіраторний) алкалоз. Це порушення КОС, що супроводжується зниженням рСО2 артеріальної крові Причини: збільшення дихального об'єму легенів; порушення співвідношення вентиляція/кровотік в окремих ділянках легенів, при якому переважає кровотік крізь гіпервентилюємі відділи. Спостерігається при гострій гіпоксії, нападі бронхіальної астми (частіше, ніж ацидоз), у вагітних, в умовах високогір'я, лікуванні кофеїном, еуфілином, кордіаміном, а також прогестероном та саліцилатами, які збуджують дихальний центр. Збільшення дихального об'єму може бути довільним (глибоке дихання) та мимовільним (істеричні реакції). 205 Згортальна система крові Згортальна система крові складається з ферментів та факторів плазми крові, тромбоцитів, та інтими кровоносних судин. Вона забезпечує зменшення крововтрати при порушенні цілісності кровоносної системи. Виділяють три фази процесу зупинення кровотечі: скорочення кровоносної судини ; утворення білого (тромбоцитарного) тромбу – нашарування тромбоцитів в місці пошкодження для закриття пошкоджень невеликих судин; утворення червоного (фібринового) тромбу – перетворення розчинного білка плазми крові фібриногену (ф.I) в нерозчинну сіть волокон білка фібрину (ф.Iа), в яку іммобілізуються формені елементи крові: тромбоцити і еритроцити. Каталізує перетворення фібриногена у фібрин фермент тромбін (ф. IIа), який відщеплює від молекули фібриногена невеликі негативно заряджені пептиди, при цьому звільняються (глутамін-трансфераза) (ф. XIIIа) утворює зв'язки бічних ланцюгів амінокислот ділянки скріплення, завдяки чому утворюється фібрин-полімер. Потім фібринстабілізуючий фактор фібрину («зшиває» мономери фібрину), що приводить до формування нерозчинного фібринового згустка (тромбу). Далі відбувається ретракція згустка за допомогою скоротливого білка тромбостеніну (фактора тромбоцитів), що проявляє АТФ-азну активність. Процес згортання крові є каскадом протеолітичних реакцій : з неактивних попередників ферментів (проферментів, що умовно позначаються римськими цифрами, на схемі в кружечці ) шляхом відщеплювання пептидів утворюються активні ферменти - серинові протеїнази (які позначаються римськими цифрами з індексом «а»); активні ферменти у свою чергу діють на інші білки, переводячи їх в активний стан. Це забезпечує лавиноподібне посилення процесу, що реалізує швидку захисну реакцію на травму судини . Згортання крові может здійснюватись за двома альтернативними механізмами : - внаслідок порушення цілісності тканини (позасудинний або зовнішній шлях) - внаслідок патологічних процесів, які починаються на внутрішній поверхні судини (внутрішньосудинний або внутрішній шлях). Ці два механізми відрізняються причинами, по яких відбувається коагуляція і початковими етапами, які приводять в обох випадках до активації ф. СтюартаПрауера (ф. Х). З цього етапу (утворення ф.Ха) зовнішній та внутрішній шляхи співпадають. Активний ф.Ха є сериновою протїназою, яка перетворює неактивний фермент протромбін (ф.II) в активний тромбін (ф.IIа) шляхом часткового протеолизу. Далі тромбін трансформує фібриноген у фібрин, що є основою для утворення кров'яного згустку. Крім того, тромбін активує ф.ХIII та за механізмом позитивного зворотного 206 зв'язку активує ф.V, VII, VIII і ХI ). Схема згортальної системи крові Внутрішній шлях калікреїн Зовнішній шлях 3 хв 10 сек ХIIа ФЛ Са2+ III ХIа IХа VIII VIIа VШа +Са2+ + ФЛ Ха V Vа + Са2+ + ФЛ IIа ф.I ф.II ф.III ф.IV ф.V ф.VII ф.VIII ф.IX ф.X ф.XI ф.XII ф.XIII фібриноген - I протромбін тканинний тромбопластин іони кальцию Са2+ проакцелерин проконвертин антигемофільний глобулін А (ф.Віллебранда) антигемофільний глобулін В (ф. Кристмаса) ф. Стюарта-Прауера ф. Розенталя ф. Хагемана фібринстабілізуючий фактор проферменти – неактивні форми протеолітичних ферментів; фактори, що мають γ-глутамінову кислоту. Iа фібрин-мономер фібрин-полімер ХIIIа 207 ретрагований фібрин Білкові фактори згортання II, VII, IX і X синтезуються в печінці та містять незвичайну амінокислоту, γ-карбоксиглутамінову (гла). Вона утворюється шляхом карбоксилювання глутамінової кислоти в процесі посттрансляційної модифікації (дозрівання) цих білкових факторів за участю вітаміну К: СООСООγ СН СООγ СН2 вітамін К СН2 СН2 СН СН білок СO NH білок білок СO NH білок Авітаміноз К супроводжується підвищеною кровоточивістю. Це спостерігається при порушенні всмоктування жирів (наприклад, при жовчно-кам'яній хворобі), що перешкоджає засвоєнню жиророзчинного вітаміну К. Антагонисти вітамину К, наприклад, препарати групи кумарину (дикумарин, неодикумарин, пелентан, синкумар), пригнічують синтез активних чинників коагуляції і тому діють як інгібітори згортання крові. Залишки γ-карбоксиглутамінової кислоти в білкових факторах (на мал. ф.Х, ф.II) згруповані в особливих IIа II Ха білкових доменах (гла-домены). Завдяки своїм негативним зарядам вони приєднують іони Са2+, які необхідні для зв’язування відповідних регуляторних фосфоліпиди факторів з фосфоліпідами на поверхні Vа плазматичної мембрани тромбоцитів. гла-домен Речовини, що здатні зв'язувати вільні Са2+Са2+Са2+Са2+ іони Са2+ у вигляді комплексу, наприклад, цитрат, запобігають цій мембрана взаємодії з фосфоліпідами, тому тромбоцитів гальмують згортання . Протромбіназний комплекс Позасудинний (зовнішній) шлях активації починається із звільнення ф.III (тканинного тромбопластину) з пошкоджених тканинних клітин. Протягом декількох секунд цей фактор приводить до згортання крові в області рани . Ф.III є інтегральним мембранним білком, що містить рецептор фактора VII. Ф.VII – гла- глікопротеїн, що функціонує тільки в зовнішньому шляху, швидко включається після пошкодження тканини в активацію, перетворюючись в VIIа (за принципом зворотного позитивного зв'язку цьому сприяють тромбін і ф.Ха). При цьому утворюється комплекс, аналогічний протромбіназному (див. мал.), в який входять ф.VIIа, тканинної чинник III, Са2+ і ФЛ (фосфоліпіди мембран). Причому, активність ф.VIIа в комплексі з тканинним фактором та іонами кальцію зростає в 10000 разів. 208 Внутрішньосудинний (внутрішній) шлях повільний процес, оскільки в ньому бере участь значна кількість факторів, створюючи каскадний механізм, який генерує активний ф.Ха . Цей шлях ініціюється колагеном, який в нормі не експонований на внутрішній поверхні кровоносних судин; його контакт з кров'ю призводить до того, що ф. XII стає доступним для атаки калікреїном. В результаті утворюється ф. XIIа, який у свою чергу індукує перехід прекалікреїну в калікреїн (див. стор. ). ф. XIIа, будучи протеолітичним ферментом, перетворює ф. XI у ф. XIа . ф. XIа аналогічним чином активує ф. IХ, перетворюючи його у ф. IХа . ф. IХа спільно з Са2+, фосфоліпідами мембран (ФЛ) та ф. VIIIа (білок-активатор) утворює комплекс, аналогічний протромбиназному комплексу (див. мал.). Залишки гла факторів IХ та Х забезпечують Са2+-залежне зкріплення з кислими фосфоліпідами мембран тромбоцитів, виникає висока локальна концентрація цих ферментних білків, що посилює процес активації ф.Х у багато разів. IХа Ха Х VШа Са2+Са2+Са2+Са2+ фосфоліпіди гла-домен мембрана тромбоцитів В результаті утворюється активний ф.Ха, і з цієї миті зовнішній та внутрішній шляхи зливаються в один шлях перетворення протромбіна (ф.II) в активний тромбін (ф.IIа) у складі протромбіназного комплексу . На заключному етапі під дією протеолітичного ферменту тромбіна фібриноген (I) перетворюється на фібрин (Iа), який полімеризується та ущільнюється з утворенням тромбу . В 1 мл плазми крові міститься близько 3 мг фібриногену і лише 0,01мг фактора Х. Це означає, що в системі гемостазу обов'язково повинна бути присутня ампліфікація – посилення сигналу. В процесі згортання крові діють два механізми посилення сигналу: каскад реакцій, в якому кожна ферментативна ланка посилює сигнал ; положительные обратные связи. Фібриноліз Система згортання крові в нормі знаходиться в динамічній рівновазі, при якій фібринові згустки весь час утворюються, а потім розчиняються. Процес розпаду здійснюється за допомогою ферменту плазміну, який є сериновою протеїназою, що здатна гідролізувати фібриноген, фібрин та інші білкові фактори. В нормі плазмін міститься у вигляді неактивного проферменту – плазміногену – глікопротеїна βглобулінової фракції. Він активується шляхом часткового протеолізу за допомогою різних тканинних та судинних активаторів. 209 В багатьох тканинах організму (крім печінки) є активатори плазміногена (ТАП), які є протеолітичними ферментами, що є неактивними у відсутність контакту з фібрином. При контакті з фібрином вони активуються, переводять плазміноген в активний плазмін, отже запускається процес розщеплювання фібринового тромбу. Схема фібринолізу урокіназа стрептокіназа плазміноген тканинні активатори плазміногену (ТАП) пептид пептид фібриновий тромб плазмін розчинні пептиди ТАП, отримані методами генної інженерії, використовуються для лікування захворювань, пов'язаних з тромбозам судин. Ферменти урокіназа (виділяють з клітин нирок людини) та стрептокіназа (бактерійний продукт) також активують плазміноген і тому використовуються в медичній практиці з метою лізису тромбів та профілактики тромбозів. ІнактивацІя плазміна + плазмін α2-антиплазмін неактивний плазмін Для припинення розчинення тромбів (тобто інактивації плазміна) в крові знаходиться білок α2-антиплазмін, який зв'язує плазмін та переводить його в неактивний стан. Антизгортальна система Відомо, що раптовий тромбоз судин може мати небезпечні і навіть катастрофічні наслідки. Тому активність згортальної системи повинна не тільки ретельно контролюватись, але й врівноважуватись антизгортальною системою, яка підтримує кров в рідкому стані та складається з антикоагулянтів. Зниження їх вмісту в плазмі крові може привести до тромбозу. Антикоагулянти – це інгібітори відповідних білкових факторів згортання крові. Антитромбіни: антитромбін III - білок, активність якого залежить від гепарина (крім тромбіна інгібірує фактори IХа, Ха, ХIа, ХIIа); α1-інгібітор протеїназ – глікопротеїн α1 –глобулінової фракції, інгібірує тромбін, ф. Ха, ХIа; α2-макроглобулін - глікопротеїн α2 –глобулінової фракції, реалізує до 25% антитромбінової активності плазми крові (не залежить від гепарина); гепарин –гетерополісахарид (глікозамінглікан), синтезується тучними клітинами печінки, легенів та кровоносних судин, активує антитромбін Ш. 210 Обмін хромопротеїнів Хромопротеїны – складні білки, небілкової частина яких є забарвлений компонент (від греч. chroma – фарба). Найбільш поширені хромопротеїни – це гемопротеїни, що містять як небілкова частина гем. До них належать : гемоглобін та його похідні ; міоглобін; ферменти: цитохроми, каталаза, пероксидаза. гем Гемоглобін (Hb) складається з гема (небілкова частина) та білка глобіну, який представлений чотирма поліпептидними ланцюгами, кожний з яких просторово оточує молекулу гема. Залежно від комбінації типів поліпептидних ланцюгів розрізняють види гемоглобіну: HbА1 – складається з 2α- та 2β-ланцюгів; HbА2 - з 2α- и 2σ-ланцюгів (2,5%); Hb F - з 2α- и 2γ-ланцюгів. Гем складається з 4 пирольних кілець, що містять метильні (М) та вінільні (В) замісники. Азотовмісні кільця зв’язані метіленовими містками, утворюючи порфіринове кільце, а атоми азоту пов'язані із залізом: два азоти – ковалентними зв'язками, інші два азоти – координаційними зв'язками. Крім того, атом заліза пов'язаний з амінокислотою гістидином білка глобіна, а також має здатність до зв’язування лігандів: кисню або вуглекислого газу. Залізо в гемоглобіні двовалентно (Fе2+). Захворювання гемоглобінів називають гемоглобінозами (описано понад 200): гемоглобінопатії – спадкова зміна структури одного з ланцюгів глобіну, наприклад, серповидно-клітинна анемія, при якій в β-цепях гемоглобіна глутаміновая амінокислота замінена на валін з утворенням патологічного Hb S; таласемії – генетично обумовлені порушення синтезу якого-небудь нормального ланцюга гемоглобіну, наприклад, при β-таласемії в крові зростає до 15% концентрація HbА2 і різко підвищується Hb F . Проізводні гемоглобіна: HbО2 –оксигемоглобін, HbСО2 – карбгемоглобін; HbСО – карбоксигемоглобін; HbОН – метгемоглобін. 211 Біосинтез гемоглобина Джерела атомів азота та вуглецю в гемі: сукциніл-КоА – метаболіт ЦТК та амінокислота гліцин σ-АЛК-синтаза (КоЕ – ПФ) сукциніл-КоА гліцин σ-амінолевуліновая кислота (σ-АЛК) мітохондрія гем Регуляція за зворотнім негативним зв'язком Fе2+ гліцин протопорфірин IХ сукциніл-КоА σ-АЛК- σ-АЛК синтаза О2 копропорфіриноген III σ-амінолевуліновая уропорфіриноген Ш кислота косинтаза копропорфіриноген III порфобіліноген уропорфіриноген III уропорфіриноген NН4+ Спадкові порушення обміну порфіринів Ензимопатії, пов'язані з дефектом ферментів синтезу гема – порфірії – приводять до накопичення в тканинах проміжних продуктів синтезу гема: порфіринів і їх попередників. Характеризуються підвищеною чутливістю до світла (внаслідок посиленого утворення активних форм кисню), неврологічними порушеннями . копропорфіриноген III протопорфіриноген III протопорфірин IХ гем-синтаза Еритропоетична порфірія (хвороба Гюнтера) – дефект уропорфіриноген Ш-косинтази; сеча, зуби і кістки забарвлені в червоний колір внаслідок накопичення нефізіологічного уропорфіриногена I. α-,β-ланцюги глобіна Печінкові порфірії – характерні неврологічні порушення, які обумовлені накопиченням серотоніну з-за дефіциту ферменту обміну цього біогенного аміна, що 212 гемоглобін містить у структурі гем. Fе2+ гем Fе2+ Vit C гем-оксидаза глобін білівердинредуктаза гем в складі вердоглобіна гем в складі гемоглобіна ретикуло-ендотеліальна система (печінка, селезінка, кістковий мозок) печінка УДФ-глю куронова кислота УДФ-глю куронова кислота НАДФН НАДФ+ білірубін кровь білірубін білівердин УДФ-глюкуронілтрансфераза моноглюкуранід білірубіна білірубін вільний нерозчинний токсичний «непрямий» 75% УДФ-глюкуронілтрансфераза диглюкуронід білірубіна білірубін зв'язаний розчинний нетоксичний «прямий» піроли жовчний пузырь диглюкуронід білірубіна кишечник глюкуронова 25% мікрофлора кишечника кислота білірубін мезобілірубін мезобіліноген нирки стеркобіліноген кал стеркобілін (300 мг за добу) сеча стеркобіліноген (4 мг за добу) 213 Тести з теми “Біохімія крові” 1. Людина в стані спокою штучно примушує себе дихати часто та глибоко на протязі декілька хвилин. Як це відбивається на кислотно-лужній рівновазі організму? A. Виникає дихальний алкалоз B. Виникає дихальний ацидоз C. Виникає метаболічний алкалоз D. Виникає метаболічний ацидоз E. Кислотно-лужна рівновага не змінюється 2. Яке похідне гемоглобіну виявляється в крові при отруєнні чадним газом ? A. Карбоксігемоглобін. B. Метгемоглобін. C. Оксігемоглобін. D. Карбгемоглобін. E. Вердоглобін 3. Електрофоретичне дослідження сироватки крові хворого з пневмонією показало збільшення однієї з білкових фракцій. Вкажіть її. A. Гама-глобуліни B. Альбуміни C. Альфа1-глобуліни. D. Альфа2-глобуліни E. Бета-глобуліни 4. Біохімічний аналіз сироватки крові пацієнта з гепатолентикулярною дегенерацією (хвороба Вільсона-Коновалова) виявив зниження вмісту церулоплазміну. Концентрація яких іонів буде підвищена в сироватці крові при цьому? A. Міді B. Кальцію C. Фосфору D. Калію E. Натрію 5. В процесі катаболізму гемоглобіну звільняється залізо, яке в складі спеціального транспортного білку надходить в кістковий мозок і знову використовується для синтезу гемоглобіну. Назвіть цей транспортний білок A. Трансферин B. Транскобаламін C. Гаптоглобін D. Церулоплазмін E. Альбумін 214 6 У пацієнта після перебування на сонці виявлено пухирі та посилену пігментацію. Сеча після стояння набуває червоного кольору. Який показник сечі підтвердить хворобу Гюнтера? A. Уропорфіриноген І B. Гемоглобін C. Білірубін D. Креатинін E. Ацетон 7. У хворого швидко розвиваються набряки. Зниження яких білків сироватки крові призводить до їх виникнення? A. Альбумінів B. альфа-1-глобулінів C. альфа-2-глобулінів D. бета-глобулінів E. фібриногену 8. У хворого виявлена серповидноклітинна анемія. Заміна якої амінокислоти в поліпептидному ланцюгу Hb на валін призводить до цього захворювання? A. Глутамінової кислоти B. Аспарагінової кислоти C. Лейцину D. Аргініну E. Треоніну 9. В якості антикоагулянтів використовують різноманітні речовини, в тому числі полісахарид природного походження, а саме: A. Гепарин B. Гіалуронова кислота C. Дерматансульфат D. Хондроітинсульфат E. Декстран 10. Для запобігання післяопераційної кровотечі рекомендовано приймати вікасол, що є синтетичним аналогом вітаміну К. Вкажіть, які посттрансляційні зміні факторів згортання крові активує вікасол. A. Карбоксилювання глутамінової кислоти B. Фосфорилювання радикалів серину C. Частковий протеоліз D. Полімеризацію E. Глікозилювання Еталони відповідей: 1- А; 2 – А; 3 – А; 4 – А; 5 – А. 215 БІОХІМІЯ ПЕЧІНКИ Печінка грає життєво важливу, центральну роль в обміні речовин. Особливості ферментативного апарату печінки і її анатомічних зв'язків з іншими органами дає можливість печінки брати участь в регуляції практично всіх видів обміну та підтримувати постійну концентрацію в крові для багатьох життєво важливих сполук . Печінка - велика проміжна станція між портальним кругом та загальним кровообігом організму, тому всі речовини, що всмоктуються з кишечника, повинні пройти крізь неї. Основні клітини печінки – гепатоцити – займають центральне місце в реакціях проміжного метаболізму, і в біохімічному відношенні є як би прототипом всієї решти клітин організму . Печінка – найкрупніший орган в організмі людини (близько 1,5 кг). Величина та склад печінки схильні до значних коливань, що залежать від складу їжі, фізіологічного стану організму та інших факторів . вода - 70-75%; білки - 12-24%; ліпіди - 2 - 6%; вуглеводи - 2- 85%; вітаміни мікроелементи Функції печінки обумовлюють її своєрідний “біохімічний альтруїзм ”: происходящие в ней процессы настроены на производство различных веществ для других органов (биосинтез веществ “на экспорт”); захист цих органів від токсичних сполук, які утворюються в них (або тіх, що потрапляють ззовні. Функції печінки : Регуляторно-гомеостатична функція. Печінка забезпечує постійність складу крові (гомеостаз) шляхом синтезу, депонування та виділення в кров різних метаболитів . Депонуюча функція. Печінка є важливим депо вуглеводів (у вигляді глікогену), також в ній накопичуються білки, жири, гормони, вітаміни, мінеральні речовини, складаючи метаболічні резерви організму. Знешкоджуюча функція. В печінці здійснюється біохімічна трансформація (знешкодження) токсичних речовин ендо- і екзогенного походження . Екскреторна функція. З печінки ряд продуктів метаболізму або виводиться з жовчю в кишечник (холестерин, жовчні кислоти, жовчні пігменти), або потрапляє в кров, а звідти виводиться нирками. Порушення цієї функції несприятливо позначається на перетравленні і всмоктуванні ліпідів, а також викликає накопичення токсичних продуктів. Метаболічна функція. В печінці протікають основні біохімічні процеси обміну вуглеводів, ліпідів і білків, а також мікроелементів біологічно активних речовин (вітамінів, гормонів, біогенних амінів та ін.). 216 РЕГУЛЯЦІЯ ВУГЛЕВОДНОГО ОБМІНУ Печінка - практично єдиний орган, що підтримує постійний рівень глюкози навіть в умовах голодування. Це досягається регуляцією швидкості синтезу глікогеноліза і глюконеогенеза - з одного боку, та синтезу глікогену - з іншого. Пускова реакція перетворення глюкози – фосфорилювання з утворенням глюкозо-6фосфата – в печінці каталізується двома ферментами: гексокіназою (активна при фізіологічних концентраціях глюкози в крові) та специфічною глюкокіназою (активується під час потрапляння з їжею великої кількості вуглеводів). Активність глюкокінази в печінці в 10 разів більше, ніж гексокінази, і вона не інгібірується, на відміну від гексокінази. Процеси синтезу і розпаду глікогену регулюються завдяки включенню механізмів фосфорилювання головних ферментів обміну глікогену - глікогенсинтази і глікогенфосфорилази. Активація аденілатциклази гормонами запускає “каскадний “ механізм фосфорилювання цих ферментів, що приводить до утворення активної фосфорилази і неактивної глікогенсинтетази. Таким чином, посилюється розпад глікогену. Включення механізму дефосфорилювання, навпаки, веде до посилення синтезу глікогену. В печінці також активний розгалужуючий фермент - глікозіл -(4-6)трансфераза, що створює 1,6-глікозидні зв'язки, тобто формує розгалуження у молекулі глікогену. В печінці є активними ферменти глюконеогенеза (ФЕП-карбоксикіназа, піруваткарбоксилаза, глюкозо-6-фосфатаза), які дозволяють перетворувати на глюкозу глюкогенні амінокислоти, лактат, гліцерин за умовах зменшення її концентрації в крові. глюкоза галактоза фруктоза глюкоза глюкоза конверсія глюкозо-6-фосфат глікоген амінокислоти амінокислоти лактат 3-фосфогліцериновий альдегід глюконеогенез піруват ТАГ ФЛ ВЖК ацетіл-КоА гліцерин При розщеплюванні глюкози в печінці основне значення має не окислення її до кінцевих продуктів – вуглекислого газу і води, а запасання метаболітів, необхідних для синтезу вищих жирних кислот і гліцерину, а отже, синтезу ТАГ, які у складі ЛП транспортуються в жирову тканину. 217 РЕГУЛЯЦІЯ ЛІПІДНОГО ОБМІНУ В печінці є комплекс ферментів, що каталізує переважну більшість реакцій ліпідного обміну. Тут синтезуються різні ліпіди – холестерин (ХС), триацилгліцериди (ТАГ), фосфоліпіди (ФЛ), сфінгомієлін – за рахунок використання метаболитів, що утворюються під час окислення глюкози . В печінці утворюються ліпопротеїни дуже низької щільності (ЛПДНЩ) транспортні форми ліпідів для постачання синтезованих в печінці ендогенних ТАГ через кров в адіпоцити. Печінка синтезує кетонові тіла – («жирове паливо») - джерело енергії для позапечінкових тканин. Печінка бере участь в перетравленні, всмоктуванні ліпідів (шляхом синтезу парних жовчних кислот з холестерину і секрецію їх у складі жовчі в кишечник ). кетонові тіла ВЖК глюкоза ВЖК і дуванн о л о г и пр β-окислення ацетил-КоА ФЛ ВЖК ТАГ ТАГ апопротеїни ТАГ холестерин холестерин (ХМ) жовчні кислоти эфіри холестерина ЛПДНЩ ЛПВЩ періферійні тканини періферійні тканини Одним з порушень в проміжному обміні ліпідів є жирова інфільтрація печінки, тобто переповнення клітинних елементів жиром. До факторів, що викликають жирову інфільтрацію, відносять: стійке зниження глікогену в печінки і, як наслідок, підвищення мобілізації жиру з депо (спостерігається при хронічних інфекціях, цукровому діабеті, тривалому голодуванні, харчовій інтоксикації, отруєннях, туберкульозі, тривалому стресі); порушення синтезу ФЛ і формування ЛПДНЩ, що гальмує вихід ТАГ з печінки (пов'язано з дефіцитом ліпотропних факторів - метіоніна, холіна). 218 РЕГУЛЯЦІЯ БІЛКОВОГО ОБМІНУ Синтез білків. За добу в організмі синтезується до 100 г білка, з них 50% - в печінці. Причому, разом з власними білками, печінка синтезує “на експорт” білки крові. Всі альбуміни крові, велика частина α-, β-глобулинів, імуноглобуліни, більшість факторів згортальної системи (протромбін, проконвертин, проакцелерин, фібриноген), група транспортних білків (ферітин, церулоплазмін і ін.), глікопротеїни, ліпопротеїни синтезуються в печінці. Ця функція найбільш лабильна і зазнає відхилення навіть при незначних функціональних порушеннях печінки. В результаті спостерігаються диспротеїнемії, зниження вмісту альбумінів і інших білків. Метаболізм амінокислот. Концентрація амінокислот в плазмі крові контролюється печінкою. Надлишкові амінокислоти розщеплюються нею : трансамінування та дезамінування амінокислот - сприяє включенню їх вуглецевих скелетів в проміжний метаболізм як джерело для синтезу глюкози (глюконеогенез), або як джерело енергії (кетонові тіла). Урогенез - утворення сечовини – основний шлях знешкодження аміаку, що утворюється в печінці в процесі білкового катаболізму. При порушенні функції печінки знижується добове виділення сечовини з сечею. Урикогенез - утворення сечової кислоти при розпаді пуринових нуклеотидів (в печінці активна ксантиноксидаза ). Синтез холіну (ліпотропний фактор) і креатину (джерело енергії для м'язової тканини). креатин кетонові тіла α-кетокислоти холін амінокислоти біогенні аміні білки NН3 α-кетокислоти експресія генів орнітиновий цикл глюкоза ДНК, РНК сечовина ПФШ сечова кислота рибозо-5-фосфат виведення крізь нирки 219 Детоксикаційна функція печінки Печінка є основним органом, де відбувається знешкодження природних продуктів обміну і екзогенних речовин (ксенобіотиків). Основні реакції детоксикації : окислення; відновлення; метилювання; ацетилювання; кон'югація; зхисні синтези (синтез сечовини) Знешкодження складається з двох фаз: Фаза модифікації (несинтетична) - це ферментативна модифікація структури, в процесі якої в молекулу знешкоджуваної речовини вводяться додаткові функціональні групи (аміно-, гідроксильна), або розриваються зв'язки (гідроліз), таким чином підвищується розчинність знешкоджуваної речовини у воді і (або) з'являється можливість залучити цю речовину у фазу кон'югації. Фаза кон'югації (синтетична) - утворення ковалентних зв'язків між молекулами знешкоджуваної речовини і біомолекулами організму: глюкуроновою кислотою, сульфатами та ін. Донорами залишку глюкуронової кислоти є її активна форма – УДФглюкуронова кислота, донором сірчаної кислоти є 3-фосфоаденозинфосфосульфат (ФАФС). Не маючи функціональних груп, речовина не може пройти фазу кон'югації . Слід зазначити, що деякі речовини знешкоджуються тільки в одну фазу - першу або другу. В першій фазі головна роль відводиться мікросомальному окисленню, а саме ферментним системам мембран ендоплазматичного ретикулуму – мікросомальним оксигеназам (монооксигеназам). Центральний компонент цієї системи - цитохром Р-450. Є ряд ізоформ цього ферменту в ендоплазматичному ретикулумі гепатоцитів, які відрізняються по специфічності, тобто можуть каталізувати не тільки гідроксилювання, але і інші реакції. Як донори водню (протона і електрона) в реакціях гідроксилювання виступають НАДФН. Ці ферментні системи утворюють короткі електронтранспортні ланцюги мікросомального окислення, компонентами яких є флавопротеїн (ФП), що містить ФАД, цитохром b5 та кінцева монооксигеназа – цитохром Р-450: RH НАДФН Н+ ФП(ФАД) цит.b5 О2 цит.Р-450 Н2О RH - гідрофобна сполука, що знешкоджується 220 R-OH - гідрофільна сполука, здатна до кон'югації R-OH Тести з теми «Біохімія печінки» 1. У новонародженого з'явились ознаки жовтяниці. Введення невеликих доз фенобарбітала, що індукує синтез УДФ-глюкуронілтрансферази призвело до поліпшення стану дитини. Який з перерахованих нижче процесів активується під впливом індукованого фенобарбіталом ферменту? A. Кон'югації B. Мікросомального окислення C. Тканинного дихання D. Глюконеогенезу E. Синтезу глікогена 2. У юнака 20 років діагностовано спадковий дефіцит УДФглюкуронілтрансферази. Підвищення якого показника крові підтверджує діагноз? A. Непрямого (некон'югованого) білірубіну B. Прямого (кон'югованого) білірубіну C. Уробіліну D. Стеркобіліногену E. Тваринного індикану 3. В печінці хворого порушена детоксикація природних метаболітів та ксенобіотиків. Назвіть цитохром, активність якого може бути знижена: A. Цитохром Р-450 B. Цитохромоксидаза C. Гемоглобін D. Цитохром E. Цитохром с1 4. У хлопчика 4 років після перенесеного важкого вірусного гепатиту спостерігається блювання, втрати свідомості, судоми. У крові – гіперамоніємія. Порушення якого біохімічного процесу викликало подібний патологічний стан хворого? A. Порушення знешкодження аміаку в печінці B. Порушення знешкодження біогенних амінів C. Посилення гниття білків у кишечнику D. Активація декарбоксилування амінокислот E. Пригнічення ферментів трансамінування 5. Який процес в печінці посилюється у хворого під час голодування? A. Глюконеогенез B. Синтез сечовини C. Синтез білірубіна D. Утворення гіпурової кислоти E. Синтез сечової кислоти 221 6. В організмі людини основним місцем депонування триацилгліцеролів (ТАГ) є жирова тканина. Разом з тим їх синтез відбувається в гепатоцитах. У вигляді чого проходить транспорт ТАГ із печінки в жирову тканину? A. ЛПДНЩ B. Хіломікронів C. ЛПНЩ D. ЛПВЩ E. Комплексу з альбуміном 7. При ненадходженні чи недостатньому утворенні в організмі людини ліпотропних факторів у неї розвивається жирове переродження печінки. Яка з наведених речовин належить до таких факторів? A. Холін B. Холестерин C. Триацилгліцериди D. Жирні кислоти E. Рибофлавін 8. При жировій інфільтрації печінки порушується синтез фосфоліпідів. Вкажіть, яка з перелічених речовин може посилювати процеси метилювання в синтезі фосфоліпідів? A. Метіонін B. Аскорбінова кислота C. Глюкоза D. Гліцерин E. Цитрат 9. При визначенні залишкового азоту знайшли, що азот сечовини значно знижений. Для захворювання якого органа це характерно? A. Печінки B. Мозку C. Серця D. Кишечнику E. Шлунка 10. У юнака 18 років з ураженням паренхіми печінки в сироватці крові найвірогідніше буде виявлено підвищений рівень A. Аланінамінотрансферази B. ЛДГ1 C. Креатинкінази D. Кислої фосфатази E. ά-амілази Еталони відповідей: 1- А; 2 – А; 3 – А; 4 – А; 5 – А. 222 Предметний показчик —А— Аденозинтрифосфат, 35 Адреналін, 178 Аеробний гліколіз, 54 Азотовий баланс, 99 Амінокислоти Дезамінування, 105 Трансамінування, 105 Шляхи перетворень, 103 Анаеробний гліколіз, 54 Антивітаміни, 21 Антиміцин, 46 Аскорбінова кислота, 28 Атеросклероз, 93 Ацетил-КоА, 48 —Б— Барбітурати, 46 Білки, 98 Порушення травлення, 102 Структура, 98 Травлення, 100 Біологічне окиснення Вільнорадикальне, 38 Оксигеназний шлях, 38 Оксидазний шлях, 38 Пероксидазний шлях, 38 —В— Вищі жирні кислоти, 75 Вітаміни, 20 B2, 23 В1, 22 В12, 27 В3, 29 В5, 24 В6, 25 В9, 26 Метаболізм, 21 С, 28 Вуглеводи, 53 Травлення, 54 —Г— Галактоза, 53 Галактоземія, 70 Гіперліпопротеїнеміі, 93 Гіповітаміноз, 20 Глікогенез, 54 Глікогенові хвороби, 59 Глікогеноліз, 54 Гліцерофосфоліпіди, 75 глюкоза, 53 —Д— Дезамінування амінокислот непряме, 106 пряме, 105 Декарбоксилювання амінокислот, 112 Дихотомічний розпад глюкози, 54 —Е— Есенціальна фруктоземія, 70 Етиловий спирт Метаболізм, 66 —Ж— Жири Травлення, 76 —З— Загальні шляхи катаболізму Окиснювальне декарбоксилювання пірувату, 47 Цикл трикарбонових кислот, 48 —І— Ізоферменти, 9 Інозинмонофосфат, 122 Інсулін, 173 —Й— Йодтиронін, 114 —К— Кетонові тіла, 83 Крохмаль, 53 223 —Р— —Л— Реакції Ланцюг перенесення електронів анаболічні, 34 Залізо-сірчані білки, 41 екзергонічні, 34 Молекулярна організація, 41 ендергонічні, 34 НАД-залежні дегідрогенази, 40 катаболічні, 34 Убіхінон, 40 Флавінові дегідрогенази, 40 Ресинтез специфічних жирів, 79 рибофлавін, 23 Цитохроми, 41 Розпад глікогену, 54 лізофосфатидилхолін, 85 Ротенон, 46 Ліпіди, 75 —С— Ліпопротеїди Синтез ЛПДНЩ, 86 вищих жирних кислот, 88 ХМ, 86 фосфатидної кислоти, 91 ЛПВЩ, 86 Синтез глікогену, 54 ЛПНЩ, 86 Синтез холестерину, 84 —М— Спиртове бродіння, 54 Мевалонат, 84 Стадії катаболізму Метіонін, 115 загальні, 36 Мінералокортикоїди, 179 специфічні, 36 —Н— Стероїди, 75 Нейтральні жири, 75 Супероксид-аніон, 38 Непряме окиснення глюкози, 54 —Т— Нікотинова кислота, 24 теорія Нуклеотид, 119 Кошланда, 7 —О— Фішера, 7 Ожиріння, 93 Тіамін, 22 Окисне фосфорилювання, 44 Травлення ефірів холестерину, 78 Інгібітори, 46 Травлення гліцерофосфоліпідів, 78 Коефіцієнт P/O, 45 Триацилгліцериди, 75 ОМГ-SКоА-редуктаза, 84 Внутрішньоклітинний ліполіз, 80 —П— Катаболізм, 80 Пантотенова кислота, 29 Окиснення вищих жирних кислот, 81 Пентозофосфатний шлях, 67 Окиснення гліцерину, 81 Пептидний зв’язок, 98 піридоксин, 25 Піриміидини, 126 Пурини, 121 224 —Ф— ферменти Механізм дії, 11 Специфічність, 8 Структура. См. Ферменти, 5 Використання у медицині, 18 Інгібування, 16 Кінетика, 12 Міжнародна одиниця активності, 13 Регуляція активності, 13 Фосфорилювання - дефосфорилювання, 14 Фолієва кислота, 26 Фосфатидилхолін, 85 Фосфоліпаза, 78 Фруктоза, 53 —Х— Хіломікрони, 79 —Ц— Цикл Корі, 65 Цикл трикарбонових кислот, 48 Енергетичний баланс, 50 Регуляція, 50 225
