close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

3066.Теоретические основы биохимии

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Оренбургский государственный университет»
Е.С. Барышева, О.В. Баранова, Т.В. Гамбург
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
БИОХИМИИ
Рекомендовано Ученым советом Государственного образовательного
учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский
государственный университет» в качестве учебного пособия для студентов,
обучающихся по программам высшего профессионального образования по
специальности
«Биохимия» для
направления подготовки бакалавров
«Биология».
Оренбург
ИПК ГОУ ОГУ
2011
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 577.1 (075.8)
ББК 28.072 я 7
Б26
Рецензент – к.х.н., доцент Сальникова Е.В.
Б26
Барышева, Е.С.
Теоретические основы биохимии: учебное пособие / Е.С. Барышева,
О.В. Баранова, Т.В. Гамбург; Оренбургский гос. ун-т. – Оренбург:
ОГУ, 2011. – 360 с.
Учебное пособие по биохимии отличается ясным и доступным
изложением основных и химического строения наиболее важных веществ
организма, установлены взаимосвязи между химическими превращениями
веществ в организме и их биологическими функциями. Цель учебного
пособия – формирование у студентов предоставлений о фундаментальных
достижениях в изучении биохимических основ жизни и развития.
Учебное пособие предназначено для студентов специальности 020208
«Биохимия» для направления подготовки бакалавров 020200 «Биология».
УДК 577.1 (075.8)
ББК 28.072 я 7
© Барышева Е.С.,
Баранова О.В.,
Гамбург Т.В., 2011
© ГОУ ОГУ, 2011
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Содержание
1 Химический состав организма. Биохимическая характеристика субклеточных
компонентов. Уровни организации клетки………………………………………...8
1.1 Жизненно необходимые элементы…………………………………………....10
1.2 Уровни организации клетки…………………………………………………..19
1.3 Структура, свойства и биологические функции воды…………………...….21
1.4 Неорганические ионы, их свойства и биологические функции ………..…23
1.5 Промежуточные органические соединения……………………………………..25
1.6 Основные понятия и термины темы………………………………………….26
2 Белки и аминокислоты: строение, свойства, классификация. Биологические
функции белка………………………………………………………………………27
2.1 Исследование белков…………………………………………………………...28
2.2 Элементный состав белков…………………………………………………….33
2.3 Классификация белков…………………………………………………………42
2.4 Амфотерные свойства………………………………………………………….51
2.5 Значение белков………………………………………………………………...54
3 Нуклеиновые кислоты. Общая характеристика, химический состав, структура
ДНК и РНК………………………………………………………………………….61
3.1 Нуклеиновые кислоты. История открытия нуклеинов и их названия………61
3.2 Нахождение нуклеиновых кислот в природе. Получение нуклеиновых
кислот.........................................................................................................................62
3.3 Общие свойства………………………………………………………………...66
3.4 Повреждение ДНК……………………………………………………………...73
3.5 Рибонуклеиновые кислоты…………………………………………………….74
3.6 Химический состав и модификации мономеров……………………………..77
3.7 Применение нуклеиновых кислот……………………………………………..81
4 Углеводы. Строение и функции моно-, олиго-, полисахаридов………….…...84
4.1 Классификация углеводов…………………………………………..………....85
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.2 Моносахариды.
Химические свойства моносахаридов (на примере
глюкозы)…………………………………………………………………………….86
4.3 Дисахариды……………………………………………………………………..88
4.4 Полисахариды…………………………………………………………………..91
4.5 Крахмал…………………………………………………………………………92
4.6 Целлюлоза (клетчатка)…………………………………………………………94
4.7 Переваривание углеводов в желудочно-кишечном тракте………………….97
4.8 Роль углеводов…………………………………………………………..…….100
5 Липиды. Строение и функции, классификация липидов. Биологические
мембраны…………………………………………………………………………..105
5.1 Липиды. Классификация липидов…………………………………………...105
5.2 Роль липидов в питании человека……………………………………………116
5.3 Биологические мембраны…………………………………………………….120
6 Витамины. Классификация, общая характеристика, биохимические функции
водо- и жирорастворимых витаминов………………...........................................125
6.1 История открытия витаминов………………………………………………..126
6.2 Классификация витаминов…………………………………………………...128
6.3 Витамины, растворимые в воде…………………………………………...…130
6.4 Жирорастворимые витамины………………………………………………...138
6.5 Способы сохранения витаминов в пище……………………………………142
6.6 Витамины для нашего здоровья……………………………………………...144
7 Ферменты. Свойства, строение, классификация. Применение ферментов…145
7.1 Исторический очерк…………………………………………………………..146
7.2 Классификация ферментов…………………………………………………...148
7.3 Номенклатура ферментов…………………………………………………….153
7.4 Природа ферментов…………………………………………………………...156
7.5 Локализация ферментов в клетке…………………………………………….161
7.6 Значение ферментов…………………………………………………………..163
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8 Биологическое окисление. Основы биоэнергетики. Компоненты дыхательной
цепи. Механизмы окислительного фосфорилирования. Структура и механизм
синтеза АТФ……………………………………………………………………….170
8. 1 Окислительное фосфорилирование ………………………………………...176
8.2 Сопряжение работы дыхательной цепи с процессом синтеза АТР ……….177
8.3 Разобщение дыхания и фосфорилирования…………………………………180
9 Анаболизм, катаболизм углеводов. Аэробное окисление углеводов. Цикл
трикарбоновых кислот……………………………………………………………181
10 Обмен липидов. Переваривание и всасывание липидов пищи. Транспорт
липидов. Внутриклеточный обмен липидов. Кетоновые тела. Регуляция
липидного обмена………………………………………………………………...188
10.1 Превращение липидов в процессе пищеварения…………………………..188
10.2 Внутриклеточный гидролиз липидов………………………………………191
10.3 Биоокисление жирных кислот………………………………………………192
10.4 Биосинтез кетоновых тел……………………………………………………197
10.5 Биосинтез жирных кислот…………………………………………………..199
10.6 Биосинтез холестерина……………………………………………………...201
10.7 Нарушение обмена липидов………………………………………………...204
11 Обмен белков и аминокислот. Переваривание белков. Внутриклеточный
обмен. Катаболизм и биосинтез аминокислот………. …………………………206
11.1 Обмен белков……………………………………………………………...…206
11.2 Катаболизм аминокислот……………………………………………………218
11.3 Механизм реакции …………………………………………………………..219
11.4 Органоспецифичные аминотрансферазы АНТ и ACT ……………………221
11.5 Биологическое значение трансаминирования……………………………..223
11.6 Окислительное дезаминирование ………………………………………….224
12 Гормоны. Общая характеристика. Классификация и механизм действия
центральных и периферических эндокринных желез………………………..…230
13 Регуляция обмена воды и минеральных веществ. …………………………..274
13.1 Промежуточный и конечный обмен минеральных веществ…………...…275
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
13.2 Характеристика отдельных элементов...…………………………………...275
13.3 Обмен воды и электролитов…………………………………………...……277
13.4 Регуляция обмена воды……………………………………………………...279
14 Биохимия крови. Биохимические особенности метаболизма эритроцитов.
Синтез гемоглобина. Роль печени в обмене веществ. Основные биохимические
лабораторные показатели крови…………………................................................282
14.1 Белковые компоненты плазмы крови………………………………………283
14.2 Характеристики отдельных белковых фракций………………………...…284
14.3 Строение молекулы иммуноглобулина…………………………………….289
14.4 Белки-ферменты плазмы крови……………………………………………..290
14.5 Органические небелковые соединения плазмы……………………………291
14.6 Клетки крови и особенности их метаболизма……………………………..292
14.7 Метаболизм глюкозы в эритроцитах ………………………………………297
14.8 Обезвреживание активных форм кислорода в эритроцитах……………...299
14.9 Нарушения метаболизма эритроцитов……………………………………..300
14.10 Главнейшие протеолитические системы крови…………………………..300
14.11 Антикоагулянты……………………………………………………...…….305
14.12 Гемоглобин. Типы (виды) гемоглобина. Синтез гемоглобина. Функция
гемоглобина. Строение гемоглобина……………………………………………306
14.13 Биохимический анализ крови и результаты, которые он отображает.
Расшифровка результатов анализов……………………………………………..311
15
Биохимия
Биохимические
мышечной
механизмы
ткани.
Характеристика
мышечного
сокращения
мышечных
и
белков.
расслабления.
Энергетика мышц……………………………………. ……………………...…...317
15.1 Структурно-функциональная организация мышечной ткани…………….317
15.2 Механизм мышечного сокращения……………………………………...…321
16 Химия костной и хрящевой ткани. Единица костной структуры. Регуляция
метаболизма костной ткани. Биохимия зубов и кариеса……………………….326
16.1 Костная ткань……………………………………………………………...…326
16.2 Химический состав костной ткани…………………………………………337
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
16.3 Хрящевая ткань………………………………………………………………340
16.4 Регуляция метаболизма костной ткани ……………………………………345
16.5 Биохимия зубов и кариеса………………………………………………..…346
17 Взаимосвязи в обмене веществ. Взаимосвязи обмена белков, жиров и
углеводов. Взаимосвязи тканей и органов. Роль нервной и эндокринной
системы в регуляции обмена веществ………………………...............................349
17.1 Взаимосвязи обмена белков, жиров и углеводов……………………...….349
17.2 Взаимосвязи тканей и органов……………………………………….……..352
17.3 Роль нервной и эндокринной системы в регуляции обмена веществ……356
Список использованных источников……………………………………………358
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1
Химический
характеристика
состав
организма.
субклеточных
Биохимическая
компонентов.
Уровни
организации клетки
Многим химикам известны крылатые слова, сказанные в 40-х годах
текущего столетия немецкими учеными Вальтером и Идой Ноддак, что в
каждом булыжнике на мостовой присутствуют все элементы Периодической
системы. Вначале эти слова были встречены далеко не с единодушным
одобрением. Однако, по мере того как разрабатывались все более точные
методы аналитического определения химических элементов, ученые все
больше убеждались в справедливости этих слов. Если согласиться с тем, что в
каждом булыжнике содержатся все элементы, то это должно быть справедливо
и для живого организма. Организм человека состоит на 60 % из воды, 34 %
приходится на органические вещества и 6 % – на неорганические. Основными
компонентами органических веществ являются углерод, водород, кислород, в
их состав входят также азот, фосфор и сера. В неорганических веществах
организма человека обязательно присутствуют 22 химических элемента: Са, Р,
О, Na, Мg, S, В, С1, К, V, Мn, Fе, Со, Ni, Сu, Zn, Мо, Сг, Si, I, F, Se. Например,
если вес человека составляет 70 кг, то в нем содержится (в граммах): кальция –
1700, калия – 250, натрия – 70, магния – 42, железа – 5, цинка – З. Живые
организмы в
своем составе содержат различные химические
элементы
(таблица 1). Условно, в зависимости от концентрации химических элементов в
организме, выделяют макро- и микроэлементы.
Макроэлементами
принято
считать
те
химические
элементы,
содержание в организме которых более 0,005 % массы тела. К макроэлементам
относятся водород, углерод, кислород, азот, натрий, магний, фосфор, сера,
хлор, калий, кальций.
Микроэлементами называются химические элементы, содержащиеся в
организме в очень малых количествах. Их содержание не превышает 0,005 %
массы тела, а концентрация в тканях – не более 0,000001 %. Среди всех
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
микроэлементов в особую группу выделяют так называемые незаменимые
микроэлементы.
Незаменимые
–
микроэлементы
микроэлементы,
регулярное
поступление которых с пищей или водой в организм абсолютно необходимо
для
нормальной
его
жизнедеятельности
(таблица
1).
Незаменимые
микроэлементы входят в состав ферментов, витаминов, гормонов и других
биологически активных веществ. Незаменимыми микроэлементами являются
железо, йод, медь, марганец, цинк, кобальт, молибден, селен, хром, фтор.
Физиологическое значение минеральных элементов определяется их
участием:
 в структуре и функции большинства ферментативных систем и
процессов, протекающих в организме;
 в пластических процессах и построении тканей (фосфор и кальций –
основные структурные компоненты костей);
 в поддержании кислотно-основного состояния и водно-солевого обмена;
 в поддержании солевого состава крови и участии в структуре
формирующих ее элементов.
Таблица 1- Суточное поступление химических элементов в организм человека
Химический элемент
Суточное потребление, мг
Взрослые
Дети
1
2
3
K
2000 – 5500
530
Na
1100 – 3300
260
Ca
800 – 1200
420
Mg
300 – 400
60
Zn
15,0
5,0
Fe
15,0
7,0
Mn
2,0 – 5,0
1,3
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение таблицы 1
1
2
3
Cu
1,5 – 3,0
1,0
Mo
0,075 – 0,250
0.06
Cr
0,05 – 0,2
0,04
Co
около 0,2 (B12)
0,001
Cl
3200
470
I
0,15
0,07
Se
0,15 – 0,07
–
F
1,5 – 4,0
0,6
1.1 Жизненно необходимые элементы
Роль макроэлементов, входящих в состав неорганических веществ,
очевидна. Например, основное количество кальция и фосфора входит в кости
(гидроксофосфат кальция Са10(РО4)6(ОН)2), а хлор в виде соляной кислоты
содержится в желудочном соке.
Микроэлементы
вошли в отмеченный выше
ряд
22 элементов,
обязательно присутствующих в организме человека. Большинство из них –
неметаллы, а из металлов больше половины являются d-элементами. Последние
в
организме
образуют
координационные
соединения
со
сложными
органическими молекулами. Так, установлено, что многие биологические
катализаторы – ферменты содержат ионы переходных металлов (d-элементов).
Например, известно, что марганец входит в состав 12 различных ферментов,
железо – в 70, медь – в 30, а цинк – более чем в 100. Микроэлементы называют
жизненно необходимыми, если при их отсутствии или недостатке нарушается
нормальная жизнедеятельность организма.
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Характерным
признаком
необходимого
элемента
является
колоколообразный вид кривой доза (n) – ответная реакция (R, эффект) –
рисунок 1.
Рисунок 1 - Зависимость ответной реакции (R) от дозы
(n) для жизненно необходимых элементов
При малом поступлении данного элемента организму наносится
существенный ущерб. Он функционирует на грани выживания. В основном это
объясняется снижением активности ферментов, в состав которых входит
данный элемент. При повышении дозы элемента ответная реакция возрастает и
достигает нормы (плато). При дальнейшем увеличении дозы проявляется
токсическое действие избытка данного элемента, в результате чего не
исключается и летальный исход. Кривую на рисунке 1 можно трактовать так:
все должно быть в меру и очень мало и очень много вредно. Например,
недостаток в организме железа приводит к анемии, так как оно входит в состав
гемоглобина крови, а точнее, его составной части – тема. У взрослого человека
в крови содержится около 2,6 г железа. В процессе жизнедеятельности в
организме происходят постоянный распад и синтез гемоглобина. Для
восполнения
железа,
потерянного
с
распадом
гемоглобина,
человеку
необходимо суточное поступление в организм с пищей в среднем около 12 мг
этого элемента. Связь анемии с недостатком железа была известна врачам
давно, так как еще в XVII веке в некоторых европейских странах при
малокровии прописывали настой железных опилок в красном вине. Однако
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
избыток железа в организме тоже вреден. С ним связан сидероз глаз и легких –
заболевания, вызываемые отложением соединений железа в тканях этих
органов. Главный регулятор содержания железа в крови – печень.
Недостаток в организме меди приводит к деструкции кровеносных
сосудов, патологическому росту костей, дефектам в соединительных тканях.
Кроме того, считают, что дефицит меди служит одной из причин раковых
заболеваний. В некоторых случаях поражение легких раком у людей пожилого
возраста врачи связывают с возрастным снижением содержания меди в
организме. Однако избыток меди в организме приводит к нарушению психики
и параличу некоторых органов (болезнь Вильсона).
Человеку причиняют вред лишь относительно большие количества
соединений меди. В малых дозах их используют в медицине как вяжущее и
бактериостазное (задерживающее рост и размножение бактерий) средство. Так,
например, сульфат меди (II) применяют при лечении конъюктивитов в виде
глазных капель (25 %-ный раствор), а также для прижиганий при трахоме в
виде глазных карандашей (сплав сульфата меди(П), нитрата калия, квасцов и
камфоры). При ожогах кожи фосфором проводят ее обильное смачивание 5 %ным раствором сульфата меди (II). Она оказывает на организм многогранное
действие, влияет на развитие, воспроизводство, гемоглобинообразование и на
активность
лейкоцитов.
Медь
является
переносчиком
кислорода
при
образовании пигментов. В регионах с недостатком меди в почве отмечается
анемия
сельскохозяйственных
животных.
Дефицит
меди
приводит
к
разупорядочению соединительной ткани кровеносных сосудов вследствие
блокирования связей между коллагеном и эластином у свиней, индюков.
Избыток меди у животных вызывает поражение печени и развитие желтухи, у
человека – острый панкреатит, язву двенадцатиперстной кишки, бронхиальную
астму, гиперкупремию и др. Токсичность меди проявляется в способности её
блокировать SH – группы белков, в особенности ферментов, повышать
проницаемость мембраны митохондрий. Белки, в состав которых входит медь,
оказывают влияние на углеводный обмен, синтез жиров, образование
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
витаминов P и B. Ежедневная потребность в меди для человека составляет
около 2 – 3 мг. Особенно богаты этим элементом молоко и дрожжи. Однако в
больших количествах соединения меди вредны: приём внутрь 2г медного
купороса может привести к смерти.
Жизненно необходимые элементы натрий и калий функционируют в
паре. Надежно установлено, что всем живым организмам присуще явление
ионной асимметрии – неравномерное распределение ионов внутри и вне
клетки. Например, внутри клеток мышечных волокон, сердца, печени, почек
имеется повышенное содержание ионов калия по сравнению с внеклеточным.
Концентрация ионов натрия, наоборот, выше вне клетки, чем внутри ее.
Наличие градиента концентраций калия и натрия – экспериментально
установленный факт. Интересно, что по мере старения организма градиент
концентраций ионов калия и натрия на границе клеток падает. При
наступлении смерти концентрации калия и натрия внутри и вне клетки сразу же
выравниваются. В организме человека содержится в среднем около 140 г калия
и около 100 г. натрия. С пищей мы ежедневно потребляем от 1,5 до 7 г ионов
калия и от 2 до 15 г ионов натрия. Потребность в ионах Na настолько велика,
что их необходимо специально добавлять в пищу (в виде поваренной соли).
Значительная потеря ионов натрия (они выводятся из организма с мочой и
потом) неблагоприятно сказывается на здоровье человека. Поэтому в жаркую
погоду врачи рекомендуют есть больше солёного. Однако и избыточное
содержание их в пище вызывает негативную реакцию организма, например,
повышение артериального давления. Биологическая функция других щелочных
металлов в здоровом организме пока неясна. Однако имеются указания, что
введением в организм ионов лития удается лечить одну из форм маниакальнодепрессивного
психоза.
Другие
жизненно
необходимые
элементы
представлены в таблице 2.
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 2 - Характерные симптомы дефицита химических элементов в
организме человека
Дефицит элемента
1
Сa
Mg
Fe
Zn
Cu
Mn
Типичный симптом
2
Замедление роста
Мускульные судороги
Анемия, нарушение иммунной системы
Повреждение кожи, замедление роста
Слабость артерий, нарушение деятельности
печени, вторичная анемия
Бесплодность, ухудшение роста скелета
Mo
Замедление клеточного роста, склонность к кариесу
Со
Ni
Сr
Si
F
Злокачественная анемия
Учащение депрессий, дерматиты
Cимптомы диабета
Нарушение роста скелета
Кариес зубов
Нарушение работы щитовидной железы,
замедление метаболизма
Мускульная (в частности, сердечная) слабость
I
Se
Необходимо также отметить значение таких элементов, как магний,
стронций, фосфор, селен, йод, хром, цинк, и конечно, кислород.
Магний присутствует в животных и растительных организмах. В теле
человека в среднем содержится 19 г магния. Особенно он необходим
растениям, т. к. является составной частью хлорофилла.
Соединения магния участвуют в формировании костей, в регуляции
работы нервной ткани, обмене веществ. Ежедневно человеку требуется
примерно 300 – 400 мг этого элемента. Он попадает в наш организм с хлебом, в
100 г которого содержится 90 мг магния, крупой (в 100 г овсяной крупы -116 мг
магния). В молочных продуктах этот элемент присутствует в легко усвояемой
форме – в виде растворимого в воде цитрата магния (соли лимонной кислоты).
Особенно богаты магнием орехи: на 100 г приходится до 230 мг этого элемента.
С пищей и питьевой водой человек ежедневно получает около 15 – 20 мг
стронция. В большем количестве соединения этого элемента вредны для
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
здоровья. Ионы стронция способны замещать в костях ионы кальция, что
приводит к различным
заболеваниям.
Поэтому предельно допустимая
концентрация ионов Sr в питьевой воде – 7 мг/л.
В виде фосфатов кальция фосфор присутствует в костях человека и
животных. В теле человека массой 70 кг содержится около 780 г фосфора.
Входит он и в состав белков, фосфолипидов, нуклеиновых кислот; соединения
фосфора участвуют в энергетическом обмене (аденозинтрифосфорная кислота,
АТФ). Ежедневная потребность человеческого организма в фосфоре составляет
1,2 г. Основное его количество мы потребляем с молоком и хлебом (в 100 г
хлеба – примерно 200 мг фосфора). Наиболее богаты фосфором рыба (180 мг в
100 г продукта), фасоль (540 мг на 100 г продукта), некоторые виды сыра (до
600 мг на 100 г продукта).
Интересно, что для правильного питания необходимо соблюдать баланс
между количеством
потребляемого
фосфора
и
кальция: оптимальное
соотношение этих элементов в пище составляет 1,5: 1. Избыток богатой
фосфором пищи приводит к вымыванию кальция из костей, а при избытке
кальция развивается мочекаменная болезнь.
В организме человека содержится также около 14 мг селена. Он
относится
к
числу
серосодержащих
важных
микроэлементов
аминокислот,
входит
–
стимулирует
в
состав
синтез
фермента
глутатионпероксидазы, предохраняющего гемоглобин крови от окисления
пероксидами. Недостаток селена в организме человека приводит к ослаблению
его иммунной защиты (больше всего селена – около 0,2–0,3 мг/кг – содержится
в мясе и твороге). Однако переизбыток этого элемента вреден – он ведёт к
отравлению, одним из симптомов которого является выпадение волос.
В организме человека содержится от 12 до 20 мг йода, причём большая
его
часть
сконцентрирована
в
щитовидной
железе
в
составе
белка
тиреоглобулина, ответственного за синтез некоторых гормонов. При недостатке
йода у детей и взрослых развиваются тяжёлые заболевания, такие как базедова
болезнь. Во избежание этого в местностях с пониженным содержанием йода в
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
почве и воздухе в продажу поступает йодированная поваренная соль,
содержащая добавки иодида (KI) или иодата (KIO3) калия, а также различные
пищевые добавки (пивные дрожжи, отруби). Молекулы йода обладают
уникальной способностью проникать в организм даже через неповреждённую
кожу. Поэтому настойку йода применяют и для лечения внутрикожных
воспалений.
В организме взрослого человека содержится всего около 6 мг хрома.
Многие соединения этого элемента (особенно хроматы и дихроматы) токсичны,
а некоторые из них являются канцерогенами, т.е. способны вызывать рак.
Содержание цинка, входящего в состав более 40 ферментов, регулирующих
углеводный и энергетический обмен в клетках составляет 2,3 грамма в
организме человека и животных.
Одним из основных элементов, составляющих основу жизни любого
живого организма, является кислород, широко распространённый в природе. В
свободном виде он содержится в воздухе (21 % по объёму), в составе
различных соединений (оксидов, солей) – в земной коре (47 %). Самым
известным его соединением является вода. Подсчитано, что в организме
человека массой 70 кг 43 кг приходится на атомы кислорода. Взрослый человек
за сутки потребляет в среднем 100 л кислорода
Примесные элементы. Имеется большое число химических элементов,
особенно среди тяжелых, являющихся ядами для живых организмов, – они
оказывают неблагоприятное биологическое воздействие. Существует мнение,
что
причина
действия
ядов
связана
с
блокированием
определенных
функциональных групп (в частности, сульфгидрильных) протеина или же с
вытеснением из некоторых ферментов ионов металлов, например меди и цинка.
Такие элементы, как бериллий, никель, палладий, серебро, кадмий, мышьяк,
селен, сурьма, теллур, платина, золото, барий, таллий, свинец, висмут, ртуть
называют примесными. Их диаграмма доза – эффект имеет другую форму по
сравнению с жизненно необходимыми. До определенного содержания этих
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
элементов организм не испытывает вредного воздействия, но при значительном
увеличении концентрации они становятся ядовитыми.
Встречаются элементы, которые в относительно больших количествах
являются ядами, а в низких концентрациях оказывают полезное влияние.
Например, мышьяк – сильный яд, нарушающий сердечнососудистую систему и
поражающий почки и печень, в небольших дозах полезен, и врачи
прописывают его для улучшения аппетита. Кислород, необходимый человеку
для дыхания, в высокой концентрации (особенно под давлением) оказывает
ядовитое действие.
Из этих примеров видно, что концентрация элемента в организме играет
весьма существенную, а порой и катастрофическую роль. Среди примесных
элементов имеются и такие, которые в малых дозах обладают эффективными
лечащими свойствами. Так, давно было замечено бактерицидное (вызывающее
гибель различных бактерий) свойство серебра и его солей. Например, в
медицине
раствор
коллоидного
серебра
(колларгол)
применяют
для
промывания гнойных ран, мочевого пузыря, при хронических циститах и
уретитах, а также в виде глазных капель при гнойных конъюктивитах и
бленнорее. Карандаши из нитрата серебра применяют для прижигания
бородавок, грануляций. В разбавленных растворах (0,1 %–0,25 %) нитрат
серебра используют как вяжущее и противомикробное средство для примочек,
а также в качестве глазных капель. Ученые считают, что прижигающее
действие нитрата серебра связано с его взаимодействием с белками тканей, что
приводит к образованию белковых солей серебра – альбуминатов. Серебро пока
не относят к жизненно необходимым элементам, однако уже экспериментально
установлено его повышенное содержание в мозге человека, в железах
внутренней секреции, печени. В организм серебро поступает с растительной
пищей, например, с огурцами и капустой.
Тяжелые металлы (свинец, медь, цинк, мышьяк, ртуть, кадмий, хром,
алюминий и др.) в микроколичествах необходимы организму и в основном они
находятся
в
активных
центрах
коферментов.
Особенно
опасны
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
металлорганические соединения, т. к. они гораздо лучше проходят барьеры
внутри организма. Некоторые металлы, например, свинец, стронций, иттрий,
кадмий замещают в организме кальций, а это приводит к хрупкости костей.
Кадмий накапливается в почках, участвует в нескольких ферментативных
реакциях. В ничтожно малых количествах кадмий способен стимулировать
остроту
зрения,
активизировать
сердечнососудистую
деятельность,
регулировать содержание сахара в крови. Однако незначительное повышение
уровня кадмия в крови отрицательно сказывается на деятельности головного
мозга. Кадмий является антагонистом цинка, селена способствует также
нарушению обмена железа в организме животных. Кадмий повышает кровяное
давление и играет значительную роль в возникновении и развитии инсультов и
онкологических заболеваний.
Свинец способен накапливаться в костях, печени, почках. При
отравлениях животных свинцом отмечают в первые часы повышенную
активность и бессонницу, а в последующем утомляемость, депрессии, Более
поздними симптомами являются расстройства функции нервной системы и
поражение головного мозга. В медицинской практике свинцовое отравление
часто диагностируют и лечат как психогенное заболевание. Установлено, что
вдоль автомобильных дорог содержание свинца намного выше. С удалением от
дорог на расстоянии 220 м в обе стороны концентрация свинца в почве
снижается от 60 мг/кг до 30 мг/кг. В крови коров и буйволов концентрация
свинца соответственно составляет 1,62 ±0,38 мг/л и 0,86±0,23 мг/л.
Количество биологически активных химических элементов в организмах
животных и тканях в основном зависит от их места обитания и особенностей
потребления кормов.
В большинстве случаях сельскохозяйственные животные страдают от
дефицита и несбалансированности микроэлементов. При содержании тяжелых
металлов в почве выше допустимых норм отмечают повышение поступления
указанных металлов в рационы и соответственно в продукцию животноводства,
ухудшение
18
качества
сельскохозяйственной
продукции.
Например,
в
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пригородных хозяйствах при содержании в рационе тяжелых металлов свинца, никеля, хрома и фтора в 2–7 раз выше ПДК содержание их в молоке
оказалось в 1,25–2 раза выше допустимых. В Вологодской области из-за
нехватки селена при избытке железа, марганца, кадмия отмечено поступление
молока на молокозаводы с низкой титруемой кислотностью. Основной
причиной являются выбросы предприятий Череповецкой промышленной зоны.
Наличие тяжелых металлов влияет на качество сыра, при этом нарушается
технология производства. В частности, ухудшается его вкус и запах становится
нечистым, сыр легко крошится, творог становится мажущим. У овец,
разводимых в промышленной зоне Ирака, отмечается депонирование в
организме ртути, кадмия и свинца. У пятилетних овец содержание ртути и
кадмия в мускулатуре выше МДУ (максимально допустимого уровня). У овец,
разводимых в сельскохозяйственных районах Ирака, содержание тяжелых
металлов в тканях и органах оказались в 2–7 раз меньше, чем у животных,
разводимых в промышленной зоне.
1.2 Уровни организации клетки
Химический состав клетки живого организма отражает такой важный
признак живой материи, как высокий уровень структурной организации. Все
химические элементы входят в состав органических и неорганических
соединений организма, выполняющие определенные функции. Если все
биологические вещества, функционирующие в клетке, расположить по
сложности их строения, то получаются определенные уровни организации
клетки.
Первый
уровень
занимают
низкомолекулярные
клеточных компонентов, к которым
предшественники
относится вода, углекислый газ,
молекулярный кислород и азот, неорганические ионы, ряд химических
элементов. На втором уровне стоят промежуточные химические соединения,
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
такие как аммиак, органические кислоты и их производные, карбамоилфосфат,
рибоза и др.
Из соединений первого и второго уровней в ходе жизнедеятельности
клеток образуются биологические мономеры, которые являются строительным
материалом для биополимеров, имеющих большую молекулярную массу и
отличающихся огромным разнообразием. Промежуточное положение между
биологическими мономерами и биополимерами занимают витамины и
коферменты, которые по молекулярной массе ближе к мономерам, но не
являются строительными блоками биополимеров.
Биополимеры способны ковалентно соединяться друг с другом, образуя
сложные макромолекулы: липопротеины, неклеопротеины, гликопротеины,
гликолипиды и т.д. Взаимодействием простых и сложных макромолекул
создаются надмолекулярные структуры (мультиэнзимы). Следующий уровень
организации клетки – клеточные органеллы: митохондрии, ядра, рибосомы,
лизосы и др. Система органелл образует клетку (см. рисунок 2).
Рисунок 2 - Строение эукариотической клетки
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.3 Структура, свойства и биологические функции воды
Жизнь на планете Земля зародилась в водной среде. Ни один организм не
может обходиться без воды. Несмотря на простоту химического состава и
строения, вода является одним из удивительных соединений, обладает
уникальными физико-химическими свойствами и биологическими функциями.
Молекула воды (Н2О) – полярное соединение, в котором электрофильный
атом кислорода притягивает спаренные электроны от атомов водорода,
приобретая частичный отрицательный заряд, в то время как атомы водорода
приобретают частично положительные заряды. Важной особенностью воды
является способность ее молекул объединяться в структурные агрегаты за счет
образования водородных связей между разноименно заряженными атомами.
Образующие ассоциаты (рисунок 3) состоят из нескольких молекул воды,
поэтому формулу воды правильнее было бы записать как (Н2О)n, где n = 2, 3, 4,
5.
водородные
связи
имеют
исключительно
важное
значение
при
формировании структур биополимеров, надмолекулярных комплексов, в
метаболизме. Дж. Пиментел и О. Мак-Клеллан считают, что в химии живых
систем водородная связь так же важна, как и связь углерод–углерод. Что же
такое водородная связь?
… - водородные связи
Рисунок 3 - Ассоциат молекул воды
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Водородная связь – это взаимодействие атома водорода с более
электроотрицательным атомом, имеющее частично донорно-акцепторный,
частично электрический характер. Любая химическая связь характеризуется
энергией
ее
образования.
По
энергии
водородная
связь
занимает
промежуточное положение между ковалентной (от 200 до 400 кДж/моль) и
ионной
химическими
связями
и
слабыми
ван-дер-ваальсовыми
взаимодействиями, находясь в пределах от 12 до 30 кДж/моль.
Необычная структура воды обусловливает ее уникальные физикохимические свойства. Все биохимические процессы в организме протекают в
водной среде. Вещества, находящиеся в водном растворе, имеют водную
оболочку, которая образуется в результате взаимодействия полярных молекул
воды с заряженными группами макромолекул или ионов. Чем больше такая
оболочка, тем лучше растворимо вещество.
По отношению к воде молекулы или их части делят на гидрофильные
(водорастворимые) и гидрофобные (водонерастворимые). Гидрофильными
являются все органические и неорганические соединения, диссоциирующие на
ионы, биологические мономеры и биополимеры, имеющие полярные группы. К
гидрофобным следует отнести соединения, молекулы которых содержат
неполярные группы или цепи (триацилглицерины, стероиды и др.). Молекулы
некоторых
соединений
содержат
как
гидрофильные,
и
гидрофобные
(водонерастворимые). Гидрофильными являются все органические и
неорганические соединения, диссоциирующие на ионы, биологические
мономеры и
биополимеры имеющие полярные группы. К гидрофобным,
следует отнести соединения, молекулы которых содержат неполярные группы
или цепи (триацилглицерины, стероиды и др.). Молекулы некоторых
соединений содержат как гидрофильные, так и гидрофобные группы; такие
соединения называются амфи-фильными (от греч. amphy — двоякий). К ним
относятся жирные кислоты, фосфолипиды и др. Из вышесказанного следует,
что диполи воды способны взаимодействовать не только между собой, но и с
полярными
22
молекулами
органических
и
неорганических
веществ,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
локализованных в клетке организма. Этот процесс получил название
гидратации веществ.
Физико-химические свойства воды определяются её биологические
функции:
- вода является прекрасным растворителем;
- вода выполняет функцию регулятора теплового баланса организма,
так как ее теплоемкость значительно превышает теплоемкость любого
биологического вещества. Поэтому вода может долго сохранять тепло при
изменении температуры окружающей среды и переносить его на расстояние;
- вода способствует сохранению внутриклеточного давления и
формы клеток (тургор);
- в определенных биохимических процессах вода выступает в
качестве субстрата.
Содержание воды в организме человека зависит от возраста: чем моложе
человек, тем выше содержание воды. У новорожденных вода составляет 75 %
от массы тела, у детей от 1 года до 10 лет — от 60 % до 65 %, а у людей старше
50 лет — от 50 % до 55 %. Внутри клеток содержится 2/3 общего количества
воды, внеклеточная вода составляет 1/3. Необходимое содержание воды в
организме человека поддерживается за счет поступления ее извне
(примерно 2 л в сутки); около 0,3 л в сутки образуется в процессе распада
веществ внутри организма. Нарушение водного баланса в клетках организма
приводит к тяжелым последствиям вплоть до гибели клеток. Функции клеток
зависят от общего количества внутриклеточной и внеклеточной воды, от
водного окружения макромолекул и субклеточных структур. Резкое изменение
содержания воды в организме приводит к патологии.
1.4 Неорганические ионы, их свойства и биологические функции
Неорганические или, иначе, минеральные вещества находятся в клетках
в виде ионов. Основными катионами в клетках и внеклеточных жидкостях
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
организма человека являются: Na+, K+, Са2+, Mg2+, Zn2+, Fe2+. Среди анионов
преобладают РО32-, Cl-, SO42-,НСО3-.
Концентрации основных неорганических катионов и анионов в
межклеточной жидкости и в плазме крови почти не отличаются (см. таблицу 3).
Таблица 3 - Содержание основных катионов и анионов внутри клетки и во
внеклеточных жидкостях организма человека
Ионы
Плазма
Вне клетки, %
Межклеточная жидкость
Катионы
94,0
Внутри
клетки
Na
92,7
7,5
К
Са2+
3,0
3,0
2,7
2,0
2,5
Mg2+
1,3
1,3
15,0
76,0
19,0
1,4
0,7
2,0
0,6
7,5
5,0
Анионы
-
СI
НСО3РО32SO42Органических кислот
белков
69,0
17,0
1,4
0,6
2,0
10,0
10,0
2,5
25,0
Как видно из таблицы 3, Na+ является основным катионом во
внеклеточной среде, а К+ — внутри клеток. Из анионов вне клетки преобладает
С1-, а внутри клетки — РО32-.
Живой
организм
электронейтральности:
подчиняется
суммы
физико-химическому
положительных
зарядов
закону
катионов
и
отрицательных зарядов анионов должны быть равны. Для соблюдения этого
закона в организме не хватает некоторого количества неорганических анионов.
Недостаток отрицательных зарядов компенсируют анионы органических
кислот и белков. Неорганические ионы в клетке выполняют многочисленные
биологические функции. В данном разделе мы ограничимся перечислением их
основных функций.
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Биологические функции катионов:
 транспортная
-
участвуют
в
переносе
электронов
и
молекул
простых веществ;
 структурообразующая – обусловлена комплексообразующими свойствами
металлов,
катионы
которых
участвуют
в
образовании
функционально активных структур макромолекул и надмолекулярных
комплексов;
 регуляторная - являются регуляторами (активаторами или ингибиторами)
активности ферментов;
 осмотическая - регулируют осмотическое и гидроосмотическое давление.
 Биоэлектрическая - связана с возникновением разности потенциалов на
клеточных мембранах;
 энергетическая - участвуют в образовании главного носителя энергии в
организме человека - молекулы АТФ - из АДФ и неорганических
фосфатных анионов;
 опорная
-
анион
педроксилапатита
и
фосфора
и
катион
фосфата
кальция
кальция
костей,
входят
в
состав
определяющих
их
механическую прочность;
 синтетическая
- используются
для синтеза
биологическиактивных
соединений (I - участвует в синтезе гормонов щитовидной железы).
1.5 Промежуточные органические соединения
Клетка живого организма — это химическая лаборатория, в которой
происходят превращения большого числа органических соединений разных
классов (таблица 4). Подробным изучением этих соединений занимаются
органическая и биоорганическая химия. В данной главе мы ограничимся лишь
упоминанием классов функциональных групп, придающих характерные
химические свойства этим соединениям.
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Промежуточные органические вещеcтва могут содержать в составе
несколько функциональных групп. В связи с этим они приобретают cмeшaнные
cвойствa – и способность участвовать в превращениях, характерных для каждой
группы в отдельности. Увеличение числа функциональных групп приводит к
возрастанию полярности связей между атомами и возрастанию полярности связей
между атомами и возрастанию химической активности.
Таблица 4 – Классы органических соединений
1.6 Основные понятия и термины темы
Водородная связь - взаимодействие атома водорода с более электроотрицательным
атомом,
имеющее
частично
донорно-акцепторный
характер.
Гидрофильные молекулы (или их части) - молекулы, растворимые в
воде.
Гидрофобные молекулы (или их части) - молекулы, нерастворимые в
воде.
Амфифильные молекулы — молекулы веществ, содержащие как
гидрофильные, так и гидрофобные группы атомов.
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2
Белки
и
аминокислоты:
строение,
свойства,
классификация. Биологические функции белка
Белки
-
высокомолекулярные
азотистые
органические вещества,
построенные из аминокислот и играющие фундаментальную роль в структуре и
жизнедеятельности организмов.
Белки – основная и необходимая составная часть всех организмов.
Именно Белки осуществляют обмен веществ и энергетические превращения,
неразрывно связанные с активными биологическими функциями. Сухое
вещество большинства органов и тканей человека и животных, а также большая
часть микроорганизмов состоят главным образом из белков (от 40 % - до 50 %),
причем растительному миру свойственно отклонение от этой средней величины
в сторону понижения, а животному – повышения. Микроорганизмы обычно
богаче белком (некоторые же вирусы являются почти чистыми белками). Таким
образом, в среднем можно принять, что 10 % биомассы на Земле представлено
белком, то есть его количество измеряется величиной порядка 1012 - 1013 тонн.
Белковые
вещества
лежат
в
основе
важнейших
процессов
жизнедеятельности. Так, например, процессы обмена веществ (пищеварение,
дыхание, выделение, и другие) обеспечиваются деятельностью ферментов,
являющихся по своей природе белками. К белкам относятся и сократительные
структуры, лежащие в основе движения, например сократительный белок
мышц (актомиозин), опорные ткани организма (коллаген костей, хрящей,
сухожилий),
покровы организма (кожа, волосы, ногти
и т.п.), состоящие
главным образом из коллагенов, эластинов, кератинов, а также токсины,
антигены и антитела, многие гормоны и другие биологически важные вещества.
Роль белков в живом организме подчеркивается уже самим их названием
«протеины» (в переводе с греческого protos – первый, первичный),
предложенным в 1840 голландским химиком
Г. Мульдером, который
обнаружил, что в тканях животных и растений содержатся вещества,
напоминающие по своим свойствам яичный белок. Постепенно было
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
установлено, что белки представляют собой обширный класс разнообразных
веществ, построенных по одинаковому плану. Отмечая первостепенное
значение белков для процессов жизнедеятельности, Энгельс определил, что
жизнь есть способ существования белковых тел, заключающийся в постоянном
самообновлении химических составных частей этих тел.
В
природе
существует
примерно
1010-1012
различных
белков,
обеспечивающих жизнедеятельность организмов всех степеней сложности от
вирусов до человека, они обеспечивают жизнь более 2 млн. видам организмов.
Белками
являются
ферменты,
антитела,
многие
гормоны
и
другие
биологические активные вещества. Необходимость постоянного обновления
белков лежит в основе обмена веществ. Именно поэтому белки и явились тем
исключительным материалом, который послужил основой возникновения
жизни на Земле.
Ни одно вещество из всех веществ биологического происхождения не
имеет столь большого значения и не обладает столь многогранными функциями
в жизни организма как белки.
2.1 Исследование белков
Свое название белки получили от яичного белка, который с незапамятных
времен использовался человеком как составная часть пищи. Согласно
описаниям Плиния Старшего, уже в Древнем Риме яичный белок применялся и
как лечебное средство. Однако подлинная история белковых веществ
начинается тогда, когда появляются первые сведения о свойствах белков как
химических
соединений
(свертываемость
при
нагревании,
разложение
кислотами и крепкими щелочами и т. п.). Среди белков животного
происхождения, вслед за яичным белком, были охарактеризованы белки крови.
Образование сгустков крови при ее свертывании описано еще основателем
учения о кровообращении У. Гарвеем; позднее на этот факт обратил внимание
и Р. Бойль. Среди растительных белков пальма первенства принадлежит
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нерастворимой в воде клейковине из пшеничной муки, которую впервые
получил Я. Беккари. В своих работах, он отметил сходство клейковины с
веществами животной природы.
Впервые
термин белковый (albumineise) применительно ко всем
жидкостям животного организма использовал французский физиолог Ф. Кене в
1747 г., и именно в таком толковании термин вошел в 1751 г. в
«Энциклопедию» Д. Дидро и Ж. Д'Аламбера.
С этого периода исследования, связанные с получением белков,
приобретают систематический характер. В 1759 г. А. Кессель-Майер, а
несколько позднее И. Руэль описали выделение клейковины из различных
растений и охарактеризовали ее свойства. В 1762 г. А. Халлер исследовал
процесс образования и свертывания казеина, а в 1777 г. А. Тувенель,
работавший тогда в Петербурге, называет творог белковой частью молока.
Важнейший этап в изучении белков связан с работами французского химика А.
Фуркруа, который рассматривал белки как индивидуальные вещества и доказал
единую природу белковых веществ, выделенных из растительных и животных
источников. Для трех главных белковых компонентов крови он предложил
названия альбумин, желатин и фибрин. В 1780 г. Ф. Вассерберг относит к телам
белковой природы хрусталик глаза.
К началу XIX столетия появляются первые работы по химическому
изучению белков (см. таблицу 5). Уже в 1803 г. Дж. Дальтон дает первые
формулы белков – альбумина и желатина – как веществ, содержащих азот. В
1810 г. Ж. Гей-Люссак проводит химические анализы белков – фибрина крови,
казеина и отмечает сходство их элементного состава. Решающее значение для
понимания химической природы белков имело выделение при их гидролизе
аминокислот. Вероятно, первым это сделал А. Браконно в 1820 г., когда,
действуя на белки серной кислотой, при кипячении он получил «клеевой
сахар», или глицин, при гидролизе фибрина из мяса – лейцин и при разложении
шерсти – также лейцин и смесь других продуктов гидролиза. Первой открытой
аминокислотой был, видимо, аспарагин, выделенный Л. Вокленом из сока
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
спаржи Asparagus (1806). В это же время Ж. Пруст получил лейцин при
разложении сыра и творога. Затем из продуктов гидролиза белка были
выделены многие другие аминокислоты.
Таблица 5 – Открытие аминокислот в составе белков
Аминокислота
1
Глицин
Лейцин
Год
Тирозин
Серии
Глутаминовая кислота
1820
1820
1839
1848
1865
1866
Аспарагиновая кислота
1868
Фенилаланин
Аланин
Лизин
Аргинин
Гистидин
Цистин
Валин
Пролин
Гидроксипролин
Триптофан
Изолейцин
Метионин
Треонин
Гидроксилизин
1881
1888
1859
1895
1896
1899
1901
1901
1902
1902
1904
1922
1925
1925
Источник
2
Желатина
Мышечные волокна
Фибрин шерсти
Казеин
Шелк
Растительные белки
Конглутин, легумин
(ростки спаржи)
Ростки люпина
Фиброин шелка
Казеин
Вещество рога
Стурин, гистоны
Вещество рога
Казеин
Казеин
Желатина
Казеин
Фибрин
Казеин
Белки овса
Белки рыб
Кто впервые выделил
3
А. Браконно
А. Браконно
Г. Мульдер
Ф. Бопп
Э. Крамер
Г. Риттхаузен
Г. Риттхаузен
Э. Шульце, И. Барбьери
Т. Вейль
Э. Дрексель
С. Гедин
А. Кессель
К. Мёрнер
Э. Фишер
Э. Фишер
Э. Фишер
Ф. Гопкинс, Д. Кол
Ф.Эрлих
Д. Мёллер
С. Шрайвер и др.
С. Шрайвер и др.
Первая концепция строения белков принадлежит голландскому химику Г.
Мульдеру (1836). Основываясь на теории радикалов, он сформулировал
понятие о минимальной структурной единице, входящей в состав всех белков.
Эту единицу, которой приписывался состав 2C8H12N2 + 50, Мульдер назвал
протеином (Рг), а свою концепцию – теорией протеина. Позднее состав
протеина был уточнен – C40H62N10O12; дополнительно к протеинным единицам
некоторые белки содержали серу и фосфор.
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Формула белков, предложенная Мульдером в 1838 г., выглядела так:
 белок сыворотки крови 10Pr S2P
 белок куриных яиц 10Pr SP
 фибрин 10Pr SP
 казеин 10Pr S
 клейковина растений 10Pr S2
 кристаллин (из хрусталика глаза) 15Рг
Работы Г.
Мульдера
способствовали широкому распространению
взглядов о единстве всех белков, их фундаментальном значении в мире живой
природы.
В ходе проверки «теории протеина» были резко расширены химические
исследования белков, и в этом приняли участие выдающиеся химики того
времени Ю. Либих и Ж. Дюма. Ю. Либих, поддерживавший в принципе идею
протеиновой единицы, уточнил формулу протеина C48H72N12O14, Ж. Дюма
предложил свой вариант C48H74 N
12О15
-, однако Г. Мульдер отстаивал
правильность составленной им формулы. Его поддерживал И. Берцелиус,
изложивший теорию протеина в качестве единственной теории строения белка
в знаменитом учебнике химии (1840), что означало полное признание и
торжество концепции Г. Мульдера.
Однако вскоре наступают трудные времена для теории протеина. В 1846
г. Н. Э. Лясковский, работавший в лаборатории Ю. Либиха, доказал неточность
многих приведенных Г. Мульдером анализов. Свои сомнения в правильности
теории публично высказал Ю. Либих, он планировал начать широкие
исследования структуры белков и даже изучил продукты распада белковых
веществ. Понимая весомость аргументов оппонентов, Г. Мульдер пытался
корректировать формулу протеина (C36H50N8O10), но, в конце концов, уступил
под натиском новых фактов и открытий. Теория протеина стала достоянием
истории, однако ее значение непреходяще, ибо она стимулировала химические
исследования белков, сделала белки одним из главных объектов бурно
развивающейся химии природных веществ.
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для формирования современных представлений о структуре белка
существенное значение имели работы по расщеплению белковых веществ
протеолитическими ферментами. Одним из первых их использует Г. Мейснер.
В 1850 г. К. Леман предлагает называть пептонами продукты разложения
белков пепсином. Изучая этот процесс, Ф. Хоппе-Зайлер и Ш. Вюрц в 70-х
годах прошлого столетия пришли к важному выводу, что пептоны образуются в
результате гидролиза белков ферментом. Они были весьма близки к
правильному толкованию таких экспериментов с позиций структурной химии,
но, к сожалению, последнего шага на пути к теории строения белка сделать не
сумели. Очень близок к истине был и А. Я. Данилевский, который в своей
работе "Исследование состава, физического и химического строения продуктов
распадения белковых веществ и генетических отношений между различными
их видами" справедливо утверждал, что белки построены из аминокислот и
имеют полимерную природу.
Дальнейшие
структурные
исследования
белка,
а
также
основополагающие работы Т. Курциуса по синтезу пептидов привели в конце
концов к формулированию
пептидной гипотезы, согласно которой белки
построены из аминокислот, соединенных пептидными связями -СО-NH-. В
1902 Э. Фишер создал метод анализа и разделения аминокислот, основанный
на переводе их в сложные эфиры, которые можно было подвергать
фракционной перегонке, не опасаясь разложения. С помощью этого метода
провел качественное и количественное определение продуктов расщепления
белков и открыл аминокислоты валин, пролин и гидроксипролин. Позднее из
аминокислот он получил продукты их конденсации, названные полипептидами.
Последовательно синтезировал ди-, три- и т.д. пептиды, всего около 125. Один
из них, состоящий из 18 аминокислот, долгое время оставался наиболее
сложным из всех синтезированных органических соединений с известной
структурой. Фишер установил механизм соединения аминокислот в линейные
цепочки через образование пептидной связи (и ввел этот термин), разработал
методы синтеза D- и L-аминокислот. Пептидная теория
32
получила полное
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
подтверждение в дальнейших исследованиях. Изучение строения белков было
поставлено на прочную научную основу.
В 1934 г. Лайнус Полинг совместно с А.E. Мирски
сформулировал
теорию строения и функции белка. В 1936 г. он положил начало изучению
атомной и молекулярной структуры белков и аминокислот (мономеров, из
которых состоят белки) с применением рентгеновской кристаллографии.В
1942 г. Полингу
и его коллегам, получив первые искусственные антитела,
удалось изменить химическую структуру некоторых содержащихся в крови
белков, известных как глобулины.В 1951 г. П. и Р.Б. Кори опубликовали первое
законченное описание молекулярной структуры белков. Это был результат
исследований, длившихся долгих 14 лет. Применяя методы рентгеновской
кристаллографии для анализа белков в волосах, шерсти, мускулах, ногтях и
других биологических тканях, они обнаружили, что цепи аминокислот в белке
закручены одна вокруг другой таким образом, что образуют спираль. Это
описание трехмерной структуры белков ознаменовало крупный прогресс в
биохимии.
2.2 Элементный состав белков
Белки содержат в среднем около 16 % азота, от 50 % до 55 %
углерода, от 21 % до 23 % кислорода, от 15 % до 17 % азота , от 6 % до 7 %
водорода, от 0,3 % до 2,5 % серы. В составе отдельных белков обнаружены
также фосфор, йод, железо, медь и некоторые другие макро- и микроэлементы,
в различных, часто очень малых количествах.
Содержание
основных
химических
элементов
в
белках
может
различаться, за исключением азота, концентрация которого характеризуется
наибольшим постоянством.
Для изучения аминокислотного состава белков используется главным
образом метод гидролиза, то есть нагревание белка с 6-10 моль/ литр соляной
кислотой при температуре от 100 0С до 110 0С. получают смесь -аминокислот,
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
из
которых
можно
количественного
выделить
анализа
этой
индивидуальные
смеси
в
аминокислоты.
настоящее
время
Для
применяют
ионообменную и бумажную хроматографию. Сконструированы специальные
автоматические анализаторы аминокислот.
Разработаны также ферментативные методы ступенчатого расщепления
белка. Некоторые ферменты расщепляют макромолекулу белка специфически
– только в местах нахождения определенной аминокислоты. Так получают
продукты ступенчатого расщепления - пептоны и пептиды,
последующим
анализом которых устанавливают их аминокислотный остаток.
В результате гидролиза различных белков
выделено не более 30 -
аминокислот. Двадцать из них встречаются чаще других.
При образовании молекулы белка или полипептида
могут соединяться в различной последовательности.
-аминокислоты
Возможно
огромное
число различных комбинаций, например из 20 -аминокислот можно
образовать больше 1018
комбинаций. Существование различного типа
полипептидов практически неограниченно.
Последовательность соединения аминокислот в том или ином белке
устанавливают путем ступенчатого расщепления или рентгеноструктурным
анализом.
Для идентификации белков и полипептидов используют специфические
реакции на белки. Например:
а) ксантопротеиновая реакция (появление желтого окрашивания при
взаимодействии
с
концентрированной
азотной
кислотой,
которое
в
присутствии аммиака становиться оранжевым; реакция связана с нитрованием
остатков фенилаланина и тирозина);
б)
биуретовая реакция на пептидные связи – действие разбавленного
сульфата меди (II)
на слабощелочной раствор белка, сопровождающийся
появлением фиолетово-синей
окраски
раствора, что обусловлено
комплексообразованием между медью и полипептидами.
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в) реакция Миллона (образование желто-коричневого окрашивания при
взаимодействии с Hg(NO3)2 + HNO3 + HNO2;
Молекулярная масса
Белки являются высокомолекулярными соединениями. Это полимеры,
состоящие из сотен и тысяч аминокислотных остатков — мономеров.
Соответственно и молекулярная масса белков находится в пределах 100001000000. Так, в составе рибонуклеазы (фермента, расщепляющего РНК)
содержится 124 аминокислотных остатка, и ее молекулярная масса составляет
примерно 14000. Миоглобин (белок мышц), состоящий из 153 аминокислотных
остатков, имеет молекулярную массу 17000, а гемоглобин – 64500 (574
аминокислотных остатка). Молекулярные массы других белков более высокие:
-глобулин (образует антитела) состоит из 1250 аминокислот и имеет
молекулярную массу около 150000, а молекулярная масса белка вируса гриппа
– 320 000 000.
Строение белков. В пространственном строении белков большое
значение имеет характер радикалов (остатков) R- в молекулах аминокислот.
Неполярные
радикалы
макромолекулы
белка
аминокислот
и
обычно
обуславливают
располагаются
гидрофобные
внутри
взаимодействия;
полярные радикалы, содержащие ионогенные (образующие ионы) группы,
обычно находятся на поверхности макромолекулы белка и характеризуют
электростатические
(ионные)
взаимодействия.
Полярные
неионогенные
радикалы (например, содержащие спиртовые OH-группы, амидные группы)
могут располагаться как на поверхности, так и внутри белковой молекулы. Они
участвуют в образовании водородных связей.
В молекулах белка -аминокислот связаны между собой пептидными(–
CO–NH–) связями.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Построенные таким образом полипептидные цепи или отдельные участки
внутри полипептидной цепи могут быть в отдельных случаях дополнительно
связаны между собой дисульфидными (–S–S–)связями, или, как их часто
называют, дисульфидными мостиками.
Большую роль в создании структуры белков играют ионные (солевые) и
водородные связи, а также гидрофобное взаимодействие—особый вид
контактов между гидрофобными компонентами молекул белков в водной среде.
Все эти связи имеют различную прочность и обеспечивают образование
сложной, большой молекулы белка.
Несмотря на различие в строении и функциях белковых веществ, их
элементный состав колеблется незначительно (в процентах на сухую массу):
углерода–51–53; кислорода– 21,5–23,5; азота–16,8–18,4; водорода–6,5–7,3;
сера–0,3–2,5. Некоторые белки содержат в небольших количествах фосфор,
селен и другие элементы.
Особый характер белка каждого вида связан не только с длиной, составом
и строением входящих в его молекулу полипептидных цепей, но и с тем, как
эти цепи ориентируются.
Различают четыре уровня организации белковых молекул.
Первичная структура. Представляет собой линейную цепь аминокислот
(полипептид), расположенных в определенной последовательности с четким
генетически обусловленным порядком чередования и соединенных между
собой пептидными связями (рисунок 4).
Пептидная связь образуется за счет -карбоксильной группы одной
аминокислоты и -аминной группы другой.
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 4 – Первичная структура
К настоящему времени установлены последовательности аминокислот
для нескольких тысяч различных белков. Запись структуры белков в виде
развернутых структурных формул громоздка и не наглядна. Поэтому
используется сокращенная форма записи — трехбуквенная или однобуквенная.
При записи аминокислотной последовательности в полипептидных или
олигопептидных цепях с помощью сокращенной символики предполагается,
если это особо не оговорено, что -аминогруппа находится слева, а карбоксильная группа — справа. Соответствующие участки полипептидной
цепи называют N-концом (аминным концом) и С-концом (карбоксильным
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
концом), а аминокислотные остатки — соответственно N-концевым и Сконцевым остатками.
Вторичная
структурой
называют
образует
Вторичной
структура.
конформацию,
полипептидная
которую
цепь.
Для
высокомолекулярных белков характерна структура
спирали (рисунок 5).
Впервые
такая
структура
на
основе
рентгеноструктурного анализа была обнаружена
при изучении главного белка волос и шерсти -кератина (Л. Полинг). Ее назвали -структурой или
-спиралью.
Обычно
в
природных
продуктах
встречаются белки со строением правой спирали,
хотя известна и структура левой спирали.
Рисунок 5 – Вторичная структура
( - спираль)
Спиральные структуры белки. Для полипептидных цепей известно
несколько различных типов спиралей. Если при наблюдении вдоль оси спирали
она удаляется от наблюдателя по часовой стрелке, то спираль считается правой
(правозакрученной), а если удаляется против часовой стрелки — левой
(левозакрученной). Наиболее распространена правая -спираль (предложена Л.
Полингом и Р. Кори). Идеальная -спираль имеет шаг 0,54 нм и число
однотипных атомов на один виток спирали 3,6.
строение спирали
стабилизируется внутримолекулярными водородными связями.
В природных белках существуют лишь правозакрученные -спиральные
конформации полипептидных цепей, что сопряжено с наличием в белковых
телах аминокислот только L-ряда (за исключением особых случаев).
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При растяжении -кератина образуется вещество с другими свойствами -кератин. При растяжении спираль макромолекулы белка превращается в
другую структуру, напоминающую линейную. Отдельные полипептидные цепи
здесь связаны межмолекулярными водородными связями. Эта структура
называется -структурой ( структура складчатого листа, складчатого слоя)
Складчатые структуры белка. Одним из распространенных примеров
складчатой периодической структуры белка являются так называемые складки, состоящие из двух фрагментов, каждый из которых представлен
полипептидом.
-складки также стабилизируются водородными связями между атомом
водорода
аминной
группы
одного
фрагмента
и
атомом
кислорода
карбоксильной группы другого фрагмента. При этом фрагменты могут иметь
как параллельную, так и антипараллельную ориентацию относительно друг
друга.
Для того чтобы два участка полипептидной цепи располагались в
ориентации, благоприятствующей образованию -складок, между ними должен
существовать
участок,
имеющий
структуру,
резко
отличающийся
от
периодической.
Возникновение - и -структур в белковой молекуле является следствием
того, что аминокислоты и в составе полипептидных цепей сохраняют
присущую им способность к образованию водородных связей. Таким образом,
крайне важное свойство аминокислот — соединяться друг с другом
водородными связями в процессе образования кристаллических препаратов —
реализуется в виде -спиральной конформации или -структуры в белковой
молекуле. Следовательно, возникновение указанных структур допустимо
рассматривать как процесс кристаллизации участков полипептидной цепи в
пределах одной и той же белковой молекулы.
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Третичная структура. Сведения о чередовании аминокислотных
остатков в полипептидной цепи (первичная структура) и наличие в белковой
молекуле спирализованных, слоистых и неупорядоченных ее фрагментов
(вторичная структура) еще не дают полного представления ни об объеме, ни о
форме, ни тем более о взаимном
расположении
полипептидной
участков
цепи
по
отношению друг к другу.
Рисунок 6 – Третичная структура
Эти особенности строения белка выясняют при изучении его третичной
структуры, под которой понимают — общее расположение в пространстве
составляющих
молекул
одной
или
нескольких полипептидных цепей,
соединенных ковалентными связями. То есть третичная конфигурация —
реальная трехмерная конфигурация, которую принимает в пространстве
закрученная спираль, которая в свою очередь свернута спиралью. У такой
структуры в пространстве имеются выступы и впадины с обращенными
наружу функциональными группами (рисунок 6).
Полное представление о третичной структуре дают координаты всех
атомов белка. Благодаря огромным успехом рентгеноструктурного анализа
такие данные, за исключением координат атомов водорода получены для
значительного числа белков. Это огромные массивы информации, хранящиеся
в специальных банках данных на машиночитаемых носителях, и их обработка
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
немыслима без применения быстродействующих компьютеров. Полученные на
компьютерах координаты атомов дают полную информацию о геометрии
полипептидной цепи, что позволяет выявить спиральную структуру, -складки
или нерегулярные фрагменты.
Третичная
структура
формируется
в
результате
нековалентных
взаимодействий (электростатические, ионные, силы Ван-дер-Ваальса и др.)
боковых радикалов, обрамляющих -спирали и -складки, и непериодических
фрагментов полипептидной цепи. Среди связей, удерживающих третичную
структуру, следует отметить:
а) дисульфидный мостик (–S–S–) между двумя остатками цистеина;
б)
сложноэфирный
мостик
(между
карбоксильной
группой
и
гидроксильной группой);
в) солевой мостик (между карбоксильной группой и аминогруппой);
г) водородные связи между группами -СО - и -NH-.
Третичной структурой объясняется специфичность белковой молекулы,
ее биологическая активность.
Первые пространственные модели молекул белка — миоглобина и гемоглобина — построили в конце 50-х гг. XX в. английские биохимики Джон Коудери Кендрю (родился в 1917 г.) и Макс Фердинанд Перуц (родился в 1914 г.).
При этом они использовали данные экспериментов с рентгеновскими лучами.
За исследования в области строения белков Кендрю и Перуц в 1962 г. были
удостоены Нобелевской премии. А в конце столетия была определена
третичная структура уже нескольких тысяч белков.
Четвертичная структура. У большинства белков пространственная
организация заканчивается третичной структурой, но для некоторых белков с
молекулярной массой больше 50-100 тысяч, построенных из несколько
полипептидных цепей характерна четвертичная (рисунок 7).
Сущность такой структуры в объединении несколько полимерных цепей
были в единый комплекс. Такой комплекс также рассматривается как белок,
состоящий из нескольких субъединиц. Белки, состоящие из нескольких
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
субъединиц, широко распространены в природе (гемоглобин, вирус табачной
мозаики, фосфорилаза, РНК-полимераза). Субъединицы принято обозначать
греческими буквами (так у гемоглобина имеется по две  и  субъединицы).
Наличие нескольких субъединиц важно в функциональном отношении — оно
увеличивает степень насыщения кислородом.
Четвертичная структура
стабилизируется в основном силами
слабых воздействий:
а) водородная;
б) гидрофобная;
в) ионные;
г) ковалентные
(дисульфидные, пептидные).
Рисунок 7 – Четвертичная структура
2.3 Классификация белков
Существует несколько классификаций белков. В их основе лежат разные
признаки:
 степень сложности (простые и сложные);
 форма молекулы (глобулярные и фибриллярные белки);
 растворимость в отдельных растворителях;
 выполняемая функция.
По
составу
белки
делят
на
простые,
состоящие
только
из
аминокислотных остатков (протеины), и сложные (протеиды). Сложные могут
включать ионы металла (металлопротеиды) или пигмент (хромопротеиды),
образовывать прочные комплексы с липидами (липопротеины), нуклеиновыми
кислотами (нуклеопротеиды), а также ковалентно связывать остаток фосфорной
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
кислоты (фосфопротеиды),
углевода
(гликопротеины) или нуклеиновой
кислоты (геномы некоторых вирусов).
По ряду характерных свойств протеины можно разделить на несколько
подгрупп:
Альбумины. Они растворимы в воде, свёртываются при нагревании,
нейтральны, сравнительно трудно осаждаются растворами солей. Примерами
их могут служить: альбумин белка куриного яйца, альбумин кровяной
сыворотки, альбумин мускульной ткани, молочный альбумин.
Глобулины. Они нерастворимы в воде, но растворяются в очень слабых
растворах солей. Примерами глобулинов могут служить: фибриноген, глобулин
кровяной сыворотки, глобулин мускульной ткани, глобулин белка куриного
яйца.
Гистоны. Белки основного характера. Находятся в виде нуклеопротеидов
в лейкоцитах и красных кровяных шариках.
Протамины. Не содержат серы, обладают сравнительно сильными
основными свойствами, дают кристаллические соли; содержатся (в виде
нуклеопротеинов) в сперматозоидах рыб.
Проламины.
Находятся
в
зернах
различных
хлебных
злаков.
Замечательной их особенностью является растворимость в 80 % -ном спирте.
Представителем этих белков может служить глиадин, составляющий главную
часть клейковины.
Склеропротеины. Нерастворимые белки, которые составляют наружный
покров тела животного и находятся в скелете и в соединительной ткани. К ним
относятся кератин, коллагены, эластин, фиброин.
Кератин является главной составной частью волос, рогов, копыт, ногтей,
перьев и верхнего слоя кожи. По химическому составу кератин богат серой
Коллагены. Чрезвычайно распространены в живых организмах. Из
коллагенов состоит соединительная ткань; они находятся в хрящах. Кости
позвоночных животных состоят из неорганических веществ (фосфорнокислого
и углекислого кальция), жира и коллагенов.
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Эластин
входит
в
состав
жил
и
других
эластичных
веществ
соединительной ткани.
Протеиды также можно разделить на несколько групп:
Фосфопротеиды содержат в своем составе фосфор. Они имеют
определенно выраженный кислотный характер.
Главнейшим представителем фосфопротеидов является казеин молока.
Он обладает настолько ясно выраженным кислотным характером, что разлагает
углекислые соли с выделением углекислого газа. Казеин растворяется в слабых
растворах щелочей, образуя с ними соли. Соли казеина называются
казеинатами.
При нагревании казеин не свертывается. При действии кислот на соли
казеина он выделяется в свободном виде. Этим объясняется свертывание
молока при прокисании. Из других фосфоропротеинов следует отметить
вителлин, который находится в желтке куриного яйца.
Нуклеопротеиды находятся в клеточных ядрах. При осторожном
гидролизе они расщепляются на белок и нуклеиновую кислоту.
Хромопротеиды. Под этим названием известны протеиды, которые
представляют собой сочетание белков с окрашенными веществами. Из
хромопротеидов наиболее изучен гемоглобин красящее вещество красных
кровяных шариков. Гемоглобин, соединяясь с кислородом, превращается в
оксигемоглобин, который, отдавая свой кислород другим веществам, снова
превращается в гемоглобин. Значение гемоглобина в жизни человека и
животных очень велико. Он играет роль переносчика кислорода от легких к
тканям. Образовавшийся в легких оксигемоглобин кровью разносится по телу
и, отдавая свой кислород, способствует протекание в организме окислительных
процессов. Кроме того, гемоглобин вместе с плазмой крови осуществляет
регуляцию величины pH крови и перенос углекислоты в организме.
Гликопротеиды. Некоторые белки этой группы встречаются в слизистых
соединениях
животных
организмов
и
обусловливаются
свойства
этих
выделений тянуться в нити даже при сравнительно большом разбавлении. Эти
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
белки образуются в подчелюстной железе, печени, железах желудка и
кишечника. Другие гликопротеиды находятся в хрящах, яичном белке,
стекловидном теле глаза и т.д. Исследованные представители гликопротеидов
являются сочетанием белков с веществами, содержащими остатки некоторых
производных углеводов, серной и уксусной кислот.
Физические
свойства.
Белки
–
амфотерные
электролиты.
При
определенном значении pH среды число положительных и отрицательных
зарядов в молекуле белка одинаково. Белки имею разнообразное строение. Есть
белки нерастворимые в воде, есть белки легко растворимые в воде. Есть белки
малоактивные в химическом отношении, устойчивые к действию агентов. Есть
белки крайне неустойчивые. Есть белки, имеющие вид нитей, достигающих в
длину сотен нанометров; есть белки, имеющие форму шариков диаметром
всего 5–7 нм. Они имеют большую молекулярную массу (104—107).
Химические свойства. Несмотря на внешнее несходство, различные
представители белков обладают некоторыми общими свойствами.
Так, поскольку все белки являются коллоидными частицами (размер
молекул лежит в пределах 1 мкм до 1 нм), в воде они образуют коллоидные
растворы. Эти растворы характеризуются высокой вязкостью, способностью
рассеивать лучи видимого света, не проходят сквозь полупроницаемые
мембраны.
Вязкость раствора зависит от молекулярной массы и концентрации
растворенного вещества. Чем выше молекулярная масса, тем раствор более
вязкий. Белки как высокомолекулярные соединения образуют вязкие растворы.
Например, раствор яичного белка в воде.
Коллоидные частицы не проходят через полупроницаемые мембраны
(целлофан, коллоидную пленку), так как их поры меньше коллоидных частиц.
Непроницаемыми для белка являются все биологические мембраны. Это
свойство белковых растворов широко используется в медицине и химии для
очистки белковых препаратов от посторонних примесей. Такой процесс
разделения называется диализом. Явление диализа лежит в основе действия
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
аппарата “искусственная почка”, который широко используется в медицине для
лечения острой почечной недостаточности.
Диализ
кружки
(белые
–
крупные
молекулы
белка,
черные – молекулы хлористого
натрия) (рисунок 8).
Белки способны к набуханию,
характеризуются
оптической
активностью и подвижностью в
электрическом поле, некоторые
растворимы в воде. Белки имеют
Рисунок 8 - Явление диализа
изоэлектрическую точку.
Важнейшим свойством белков является их способность проявлять как
кислые, так и основные свойства, то есть выступать в роли амфотерных
электролитов. Это обеспечивается за счет различных диссоциирующих
группировок, входящих в состав радикалов аминокислот. Например, кислотные
свойства белку придают карбоксильные группы аспарагиновой и глутаминовой
аминокислот, а щелочные — радикалы аргинина, лизина и гистидина. Чем
больше дикарбоновых аминокислот содержится в белке, тем сильнее
проявляются его кислотные свойства и наоборот.
Эти же группировки имеют и электрические заряды, формирующие
общий заряд белковой молекулы. В белках, где преобладают аспарагиновая и
глутаминовая аминокислоты, заряд белка будет отрицательным, избыток
основных аминокислот придает положительный заряд белковой молекуле.
Вследствие этого в электрическом поле белки будут передвигаться к катоду или
аноду в зависимости от величины их общего заряда. Так, в щелочной среде (рН
7–14) белок отдает протон и заряжается отрицательно (движение к аноду),
тогда как в кислой среде (рН 1–7) подавляется диссоциация кислотных групп и
белок становится катионом (движение к катоду):
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
NH3+
NH3+ щелочная ср.
кислая ср.
R
R
NH2
R
COO –
COOH
Катион
COO –
Амфион
Анион
Таким образом, фактором, определяющим поведение белка как катиона
или аниона, является реакция среды, которая определяется концентрацией
водородных ионов и выражается величиной рН. Однако при определенных
значениях рН число положительных и отрицательных зарядов уравнивается и
молекула становится электронейтральной, то есть она не будет перемещаться в
электрическом
поле.
Такое
значение
рН
среды
определяется
как
изоэлектрическая точка белков. При этом белок находится в наименее
устойчивом состоянии и при незначительных изменениях рН в кислую или
щелочную сторону легко выпадает в осадок. Для большинства природных
белков изоэлектрическая точка находится в слабокислой среде (рН 4,8–5,4), что
свидетельствует о преобладании в их составе дикарбоновых аминокислот.
Свойство амфотерности лежит в основе буферных свойств белков и их
участии в регуляции рН крови. Величина рН крови человека отличается
постоянством и находится в пределах 7,36–7,4 , несмотря на различные
вещества кислого или основного характера, регулярно поступающие с пищей
или образующиеся в обменных процессах, следовательно, существуют
специальные
механизмы
регуляции
кислотно-щелочного
равновесия
внутренней среды организма.
Белки активно вступают в химические реакции. Это свойство связано с
тем, что аминокислоты, входящие в состав белков, содержат разные
функциональные группы, способные реагировать с другими веществами.
Важно, что такие взаимодействия происходят и внутри белковой молекулы, в
результате чего образуется пептидная, водородная, дисульфидная и другие
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
виды связей. К радикалам аминокислот, а, следовательно, и белков, могут
присоединяться различные соединения и ионы.
Белки обладают большим сродством к воде, то есть они гидрофильны.
Это значит, что молекулы белка, как заряженные частицы, притягивают к себе
диполи воды, которые располагаются вокруг белковой молекулы и образуют
водную или гидратную оболочку. Эта оболочка предохраняет молекулы белка
от склеивания и выпадения в осадок. Величина гидратной оболочки зависит от
структуры белка. Например, альбумины более легко связываются с молекулами
воды и имеют относительно большую водную оболочку, тогда как глобулины,
фибриноген присоединяют воду хуже, и гидратная оболочка и них меньше.
Таким образом, устойчивость водного раствора белка определяется двумя
факторами: наличием заряда белковой молекулы и находящейся вокруг нее
водной оболочки. При удалении этих факторов белок выпадает в осадок.
Данный процесс может быть обратимым и необратимым.
Обратимое осаждение белков (высаливание) предполагает выпадение
белка в осадок под действием определенных веществ, после удаления которых
он вновь возвращается в свое исходное (нативное) состояние. Для высаливания
белков используют соли щелочных и щелочноземельных металлов (наиболее
часто в практике используют сульфат натрия и аммония). Эти соли удаляют
водную оболочку (вызывают обезвоживание) и снимают заряд. Между
величиной водной оболочки белковых молекул и концентрацией солей
существует прямая зависимость: чем меньше гидратная оболочка, тем меньше
требуется солей. Так, глобулины, имеющие крупные и тяжелые молекулы и
небольшую водную оболочку, выпадают в осадок при неполном насыщении
раствора солями, а альбумины как более мелкие молекулы, окруженные
большой водной оболочкой — при полном насыщении.
Необратимое осаждение связано с глубокими внутримолекулярными
изменениями структуры белка, что приводит в потере ими нативных свойств —
денатурации, которая влечет потерю растворимости, биологической активности
и т.д. Необратимое осаждение можно вызвать кипячением, действием
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
концентрированными растворами некоторых из минеральных и органических
кислот, солями тяжелых металлов . Примером естественно вызванной
денатурации служит расщепление белков в желудке, где имеется сильнокислая
среда (рН 0,5–1,5), под действием протеолитических ферментов. Денатурация
белков положена в основу лечения отравления тяжелыми металлами, когда
больному вводят per os (“через рот”) молоко или сырые яйца с тем, чтобы
металлы адсорбировались на поверхности денатурирующего белка и не
действовали на белки слизистой оболочки желудка и кишечника, а также не
всасывались в кровь.
Гидратация. Процесс гидратации означает связывание белками воды,
при этом они проявляют гидрофильные свойства: набухают, их масса и объем
увеличивается. Набухание белка сопровождается его частичным растворением.
Гидрофильность отдельных белков зависит от их строения. Имеющиеся в
составе
и
расположенные
на
поверхности
белковой
макромолекулы
гидрофильные амидные (–CO–NH–, пептидная связь), амин- ные (NH2) и
карбоксильные (COOH) группы притягивают к себе молекулы воды, строго
ориентируя их на поверхность молекулы. Окружая белковые глобулы
гидратная (водная) оболочка препятствует устойчивости растворов белка. В
изоэлектрической точке белки обладают наименьшей способностью связывать
воду, происходит разрушение гидратной оболочки вокруг белковых молекул,
поэтому они соединяются, образуя крупные агрегаты. Агрегация белковых
молекул происходит и при их обезвоживании с помощью некоторых
органических растворителей, например, этилового спирта. Это приводит к
выпадению белков в осадок. При изменении pH среды макромолекула белка
становится заряженной, и его гидратационная способность меняется.
При ограниченном набухании концентрированные белковые растворы
образуют сложные системы, называемые студнями. Студни не текучи, упруги,
обладают пластичностью, определенной механической прочностью, способны
сохранять свою форму. Глобулярные белки могут полностью гидратироваться,
растворяясь в воде (например, белки молока), образуя растворы с невысокой
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
концентрацией. Гидрофильные свойства белков имеют большое значение в
биологии
и
пищевой
промышленности.
Очень
подвижным
студнем,
построенным в основном из молекул белка, является цитоплазма– полужидкое
содержимое клетки. Сильно гидратированный студень–сырая клейковина,
выделенная из пшеничного теста, она содержит до 65 % воды. Гидрофильность,
главное качество зерна пшеницы, белков зерна и муки играет большую роль
при хранении и переработке зерна, в хлебопечении. Тесто, которое получают в
хлебопекарном производстве, представляет собой набухший в воде белок,
концентрированный студень, содержащий зерна крахмала.
Денатурация белков. При денатурации под влиянием внешних факторов
(температуры, механического воздействия, действия химических агентов и
других факторов) происходит изменение вторичной, третичной и четвертичной
структур белковой макромолекулы, то есть
ее нативной пространственной
структуры. Первичная структура, а следовательно, и химический состав белка
не меняются. Изменяются физические свойства: снижается растворимость,
способность к гидратации, теряется биологическая актив-ность. Меняется
форма белковой макромолекулы, происходит агрегирование. В то же время
увеличивается активность некоторых групп, облегчается воздействие на белки
протеолитических ферментов, а, следовательно, он легче гидролизуется.
В пищевой технологии особое практическое значение имеет тепловая
денатурация
белков,
степень
которой
зависит
от
температуры,
продолжительности нагрева и влажности. Это необходимо помнить при
разработке режимов термообработке пищевого сырья, полуфабрикатов, а
иногда и готовых продуктов. Особую роль процессы тепловой денатурации
играют при бланшировании растительного сырья, сушке зерна, выпечке хлеба,
получении макаронных изделий. Денатурация белков может вызываться и
механическим
воздействием
ультразвуком).
К
(давлением,
денатурации
белков
растиранием,
приводит
встряхиванием,
действие
химических
реагентов (кислот, щелочей, спирта, ацетона). Все эти приемы широко
используют в пищевой и биотехнологии.
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Пенообразование. Процесс пенообразования–это способность белков
образовывать высококонцентрированные системы «жидкость–газ» ,называемые
пенами. Устойчивость пены, в ко- торой белок является пенообразователем,
зависит не только от его природы и от концентрации, но и от температуры.
Белки в качестве пенообразователей широко используются в кондитерской
промышленности(пастила, зефир, суфле).Структуру пены имеет хлеб, а это
влияет на его вкусовые свойства.
Горение. Белки горят с образованием азота, углекислого газа и воды, а
также некоторых других веществ. Горение сопровождается характерным
запахом жженых перьев.
Цветные
реакции.
Ксантопротеиновая–происходит
взаимодействие
ароматических и гетероатомных циклов в молекуле белка с концентрированной
азотной кислотой, сопровождающеееся появлением желтой окраски;
Биуретовая – происходит взаимодействие слабощелочных растворов
белков с раствором сульфата меди(II) с образованием комплексных соединений
между ионами Cu2+ и полипептидами. Реакция сопровождается появлением
фиолетово–синей окраски; при нагревании белков со щелочью в присутствии
солей свинца выпадает черный осадок, который содержит серу.
2.4 Амфотерные свойства
Важнейшим свойством белков является их способность проявлять как
кислые, так и основные, то есть выступать в роли амфотерных электролитов.
Это обеспечивается за счет различных диссоциирующих группировок,
входящих в состав радикалов аминокислот. Например, кислотные свойства
белку
придают
карбоксильные
группы
аспарагиновой
глутаминовой
аминокислот, а щелочные - радикалы аргинина, лизина и гистидина. Чем
больше дикарбоновых аминокислот содержится в белке, тем сильнее
проявляются его кислотные свойства и наоборот.
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Эти же группировки имеют и электрические заряды, формирующие
общий заряд белковой молекулы. В белках, где преобладают аспарагиновая и
глутаминовая аминокислоты, заряд белка будет отрицательным, избыток
основных аминокислот придает положительный заряд белковой молекуле.
Вследствие этого в электрическом поле белки будут передвигаться к катоду или
аноду в зависимости от величины их общего заряда. Так, в щелочной среде (рН
7 - 14) белок отдает протон и заряжается отрицательно, тогда как в кислой
среде (рН 1 - 7) подавляется диссоциация кислотных групп и белок становится
катионом.
Таким образом, фактором, определяющим поведение белка как катиона
или аниона, является реакция среды, которая определяется концентрацией
водородных ионов и выражается величиной рН. Однако при определенных
значениях рН число положительных и отрицательных зарядов уравнивается, и
молекула становится электронейтральной, т.е. она не будет перемещаться в
электрическом
поле.
Такое
значение
рН
среды
определяется
как
изоэлектрическая точка белков. При этом белок находится в наименее
устойчивом состоянии и при незначительных изменениях рН в кислую или
щелочную сторону легко выпадает в осадок. Для большинства природных
белков изоэлектрическая точка находится в слабокислой среде (рН 4,8 - 5,4),
что свидетельствует о преобладании в их составе дикарбоновых аминокислот.
Свойство амфотерности лежит в основе буферных свойств белков и их
участии в регуляции рН крови. Величина рН крови человека отличается
постоянством и находится в пределах 7,36 - 7,4 , несмотря на различные
вещества кислого или основного характера, регулярно поступающие с пищей
или образующиеся в обменных процессах - следовательно существуют
специальные
52
механизмы
регуляции
кислотно-щелочного
равновесия
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
внутренней среды организма. К таким системам относится гемоглобиновая
буферная система. Изменение рН крови более чем на 0,07 свидетельствует о
развитии патологического процесса. Сдвиг рН в кислую сторону называется
ацидозом, а в щелочную - алкалозом. Важное значение для организма имеет
способность белков адсорбировать на своей поверхности некоторые вещества и
ионы (гормоны, витамины, железо, медь), которые либо плохо растворимы в
воде, либо являются токсичными (билирубин, свободные жирные кислоты).
Белки транспортируют их по крови к местам дальнейших превращений или
обезвреживания.
Гидролиз белков (при нагревании с растворами кислот, щелочей, при
действии ферментов)
O
H
||
O
: |
H
||
:|
H2N ― CH2 ― C ―: N ― CH ― C ―: N ― CH ― C = O → H2N ― CH2 ― C = O +
:
|
:
H2O
CH2
H2O
|
|
CH2
OH
|
|
OH
SH
|
OH
глицин
трипептид
+ H2N ― CH ― C = O + H2N ― CH ― C = O
серин
|
|
|
|
CH2
OH
CH2
OH
|
|
ОН
SH
цистеин
Гидролиз белков сводится к гидролизу полипептидных связей. К
этому же сводится и переваривание белков:
Белок ↔ аминокислоты → кровь во все клетки и ткани организма.
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Химический синтез. Химический синтез белков имеет большое
практическое и теоретическое значение. В практическом отношении важны
белковые гормоны — инсулин и вазопрессин, в настоящее время получаемые
синтетическим путем. Умение производить искусственным путем необходимые
белки откроет огромные ресурсы для использования в медицине, технике и т.д.
Традиционные методы синтеза регулярных полимеров позволяют
получить сополимеры, состоящие из двух (или более) сходных типов
мономеров со статистическим распределением их по цепи, в том числе белков.
В частности, возможно получение гомополимеров или статистических
сополимеров, состоящих из аминокислотных остатков, связанных пептидными
связями (полиаминокислот).
Эти соединения содержат электрофильную ангидридную группу, которая
может атаковать алифатическую аминогруппу аминокислоты, используемой в
качестве затравки, с выделением СО2 и одновременном освобождением новой
аминогруппы из атакующей молекулы N-карбоксиангидрида, таким образом,
открывая возможность поликонденсации.
Нетрудно заметить, что каждая стадия поликонденсации (с учетом
реакции образования N-карбоксиангидридов аминокислот) сопровождается
превращением молекулы COCl2 в CO2 и 2HCl, что термодинамически выгодно
и является источником свободной энергии для образования пептидной связи.
При синтезе нерегулярных полипептидов базируются также на активации
карбоксильных групп. Большинство из них базируется на использовании N,Nдициклогексилкарбодиимида (ДЦК). Он способен в присутствии RCOO и
амина NH2R’ осуществить активацию карбоксильных групп.
2.5 Значение белков
Функции белков чрезвычайно многообразны. Каждый данный белок как
вещество
с
определенным
химическим
строением
выполняет
одну
узкоспециализированную функцию и лишь в нескольких отдельных случаях —
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
несколько взаимосвязанных. Например, гормон мозгового слоя надпочечников
адреналин, поступая в кровь, повышает потребление кислорода и артериальное
давление, содержание сахара в крови, стимулирует обмен веществ, а также
является медиатором нервной системы у холоднокровных животных
Каталитическая (ферментативная) функция
Многочисленные биохимические реакции в живых организмах протекают
в мягких условиях при температурах, близких к 40°С, и значениях рН близких к
нейтральным. В этих условиях скорости протекания большинства реакций
ничтожно малы, поэтому для их приемлемого осуществления необходимы
специальные биологические катализаторы — ферменты. Даже такая простая
реакция, как дегидратация угольной кислоты:
HCO3-+ H+
CO2 + H2O
катализируется
ферментом
карбоангидразой.
Вообще
все
реакции,
за
исключением реакции фотолиза воды 2H2O4H+ + 4e- + O2, в живых
организмах катализируются ферментами (реакции синтеза, осуществляются
при помощи ферментов синтетаз, реакции гидролиза — при помощи гидролаз,
окисление — при помощи оксидаз, восстановление с присоединением — при
помощи гидрогеназ и т.д.). Как правило, ферменты — это либо белки, либо
комплексы белков с каким-либо кофактором — ионом металла или
специальной органической молекулой. Ферменты обладают высокой, иногда
уникальной,
избирательностью
действия.
Например,
ферменты,
катализирующие присоединение -аминокислот к соответствующим т-РНК в
процессе
биосинтеза
белка,
катализируют
присоединение
только
L-
аминокислот и не катализируют присоединение D-аминокислот.
Транспортная функция белков
Внутрь
клетки
должны
поступать
многочисленные
вещества,
обеспечивающие ее строительным материалом и энергией. В то же время все
биологические мембраны построены по единому принципу — двойной слой
липидов, в который погружены различные белки, причем гидрофильные
участки макромолекул сосредоточены на поверхности мембран, а гидрофобные
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
“хвосты” — в толще мембраны. Данная структура непроницаема для таких
важных компонентов, как сахара, аминокислоты, ионы щелочных металлов. Их
проникновение внутрь клетки осуществляется с помощью специальных
транспортных белков, вмонтированных в мембрану клеток. Например, у
бактерий имеется специальный белок, обеспечивающий перенос через
наружную мембрану молочного сахара — лактозы. Лактоза по международной
номенклатуре
обозначается
-галаткозид,
поэтому транспортный
белок
называют -галактозидпермеазой.
Важным примером транспорта веществ через биологические мембраны
против градиента концентрации является К/ Na-ый насос. В ходе его работы
происходит перенос трех положительных ионов Na+ из клетки на каждые два
положительных иона K+ в клетку. Эта работа сопровождается накоплением
электрической разности потенциалов
на
мембране
клетки.
При этом
расщепляется АТФ, давая энергию. Молекулярная основа натрий-калиевого
насоса была открыта недавно, это оказался фермент, расщепляющий АТФ —
калий-натрийзависимая АТФ-аза.
У многоклеточных организмов существует система транспорта веществ
от одних органов к другим. В первую очередь это гемоглобин. Кроме того, в
плазме крови постоянно находится транспортный белок — сывороточный
альбумин. Этот белок обладает уникальной способностью образовывать
прочный
комплексы
с
жирными
кислотами,
образующимися
переваривании жиров, с некоторыми гидрофобными аминокислотами
при
со
стероидными гормонами, а также со многими лекарственными препаратами,
такими, как аспирин, сульфаниламиды, некоторые пенициллины.
Рецепторная функция
Большое
значение,
в
особенности
для
функционирования
многоклеточных организмов, имеют белки-рецепторы, вмонтированные в
плазматическую
мембрану
преобразования
различных
клеток
сигналов,
и
служащие
для
поступающих
в
окружающей среды, так и от других клеток.
56
восприятия
клетку,
как
и
от
В качестве наиболее
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
исследованных можно привести рецепторы ацетилхолина, находящиеся на
мембране клеток в ряде межнейронных контактов, в том числе в коре головного
мозга,
и
у
нервно-мышечных
соединений.
Эти
белки
специфично
взаимодействуют с ацетилхолином CH3C(O) – OCH2CH2N+(CH3)3 и отвечает на
это передачей сигнала внутрь клетки. После получения и преобразования
сигнала нейромедиатор должен быть удален, чтобы клетка подготовилась к
восприятию следующего сигнала. Для этого служит специальный фермент —
ацетилхолинэстераза, катализирующая гидролиз ацетилхолина до ацетата и
холина.
Многие гормоны не проникают внутрь клеток-мишеней, а связываются со
специфическими рецепторами на поверхности этих клеток. Такое связывание
является сигналом, запускающим в клетке физиологические процессы.
Защитная функция
Иммунная система обладает способностью отвечать на появление
чужеродных частиц выработкой огромного числа лимфоцитов, способных
специфически повреждать именно эти частицы, которыми могут быть
чужеродные
клетки,
например
патогенные
бактерии,
раковые
клетки,
надмолекулярные частицы, такие как вирусы, макромолекулы, включая
чужеродные белки. Одна из групп лимфоцитов — В-лимфоциты, вырабатывает
особые
белки,
выделяемые
в кровеносную систему,
которые
узнают
чужеродные частицы, образуя при этом высокоспецифичный комплекс на этой
стадии уничтожения. Эти белки называются иммуноглобулины. Чужеродные
вещества,
вызывающие
иммунный
ответ
называют
антигенами,
а
соответствующие к ним иммуноглобулины — антителами.
Антитела построены из четырех полипептидных цепей, связанных между
собой дисульфидными мостиками.
Структурная функции
Наряду с белками, выполняющими тонкие высокоспециализированные
функции, существуют белки, имеющие в основном структурное значение. Они
обеспечивают механическую прочность и другие механические свойства
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
отдельных тканей живых организмов. В первую очередь это коллаген —
основной белковый компонент внеклеточного матрикса соединительной ткани.
В эластичных тканях — коже, стенках кровеносных сосудов, легких помимо коллагена внеклеточный матрикс содержит белок эластин, способный
довольно в широких пределах растягиваться и возвращаться в исходное
состояние.
Еще один пример структурного белка — фиброин шелка, выделяемый
гусеницами шелкопряда в период формирования куколки и являющийся
основным компонентом шелковых нитей.
Двигательные белки
Мышечное сокращение является процессом, в ходе которого происходит
превращение химической энергии, запасенной в виде макроэргических
пирофосфатных
связей
в
молекулах
АТФ,
в
механическую
работу.
Непосредственными участниками процесса сокращения являются два белка —
актин и миозин.
Антибиотики
Большую и чрезвычайно важную в практическом отношении группу
природных органических соединений составляют антибиотики — вещества
микробного
происхождения,
микроорганизмов
и
выделяемые
подавляющие
рост
специальными
других,
видами
конкурирующих
микроорганизмов. Открытие и применение антибиотиков произвело в 40-ые гг.
революцию в лечении инфекционных заболеваний, вызываемых бактериями.
Следует отметить, что на вирусы в большинстве случаев антибиотики не
действуют и применение их в качестве противовирусных препаратов
неэффективно.
Токсины
Ряд живых организмов в качестве защиты от потенциальных врагов
вырабатывают сильно ядовитые вещества — токсины. Многие из них являются
белками, однако, встречаются среди них и сложные низкомолекулярные
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
органические молекулы. В качестве примера такого вещества можно привести
ядовитое начало бледной поганки — -аманитин.
Таблица 6 - Суточные нормы белка для взрослого человека, в граммах
Умственного и
легкого физи-
Механизированного
Немеханизированного
физического труда
физического труда
110–120
120–140
ческого труда
100–110
Тяжелого
физического
труда
140–160
Таблица 7 - Суточные нормы белка для детей, в граммах
От 6 мес. до 1года
1–3
3–7
7–11
11–15
15–18
25
50
70
70
100
120
Таблица 8 - Содержание белка в пищевом рационе взрослого человека,
необходимое для поддержания азотистого равновесия
Источники
белка
яичный
белок
Потребность в белках,
г/сутки
Источники белка
Потребность в белках,
г/сутки
19,9
картофель
30,0
говядина
26,0
хлеб из
пшеничной муки
67,0
молоко
27,6
Таблица 9 - Перечень продуктов, которые обеспечивают
необходимое количество белковых веществ
Наименование продукта
1
Количество
Белковые вещества
2
3
Ржаной хлеб
250
12,8
Белый хлеб
200
14,3
Крупа
30
2,8
Макароны
10
0,9
Мука пшеничная
20
1,9
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение таблица 9
1
2
3
Мясо
150
22,7
Рыба
100
9,4
Молоко
400
14,2
Творог, сыр
70
11,2
Сметана
30
0,6
Сливочное масло
30
0,1
Яйца
1/2шт.
2,6
Картофель
400
4,2
Овощи
300
3,5
200
0,8
Фрукты, ягоды (свежие)
Итого:
60
102,0
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3
Нуклеиновые
кислоты.
Общая
характеристика,
химический состав, структура ДНК и РНК
3.1 Нуклеиновые кислоты. История открытия нуклеинов и их
названия
Открытие нуклеиновых кислот связано с именем молодого врача из
города
Базеля
(Швейцария)
Фридриха
Мишера.
После
окончания
медицинского факультета Мишер был послан для усовершенствования и
работы над диссертацией в Тюбинген (Германия) в физиолого-химическую
лабораторию, возглавляемую Ф. Гоппе-Зейлером. Тюбингенская лаборатория
в то время была известна ученому миру. Пройдя практику по органической
химии, Мишер приступил к работе в биохимической лаборатории. Ему было
поручено заняться изучением химического состава гноя. Молодой ученый не
возражал
против
предложенной
темы,
так
как
считал
лейкоциты,
присутствующие в гное, одними из самых простых клеток.
Путём многочисленных опытов он получил из гнойных клеток вещество
ядерного происхождения. Мишер был уверен именно в ядерном его источнике.
Поэтому он начал более тщательное выделение ядер. В то время еще никто в
биохимических лабораториях не пытался выделить ядра или какие-либо другие
субклеточные компоненты, так что и здесь он был пионером.
Продолжив дальше очищать ядро от других клеточных фрагментов, он
получил
странное
вещетво.
Оно
не
разлагалось
протеолитическими
ферментами, значит, не являлось белком. Отсутствие растворимости в горячем
спирте указывало на то, что это вещество не являлось и фосфолипидом. Повидимому, оно относилось к новому классу биохимических соединений.
Но Мишер с большой горячностью настаивал на точности своих
результатов и добивался разрешения опубликовать их в печати. Тогда ГоппеЗейлер решил проверить данные Мишера лично. Он и два его ассистента
(одним из них был русский химик Любавин) в течение года шаг за шагом
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
прошли все этапы аналитической работы Мишера и полностью подтвердили
его данные, выделив нуклеин из клеток крови и из дрожжей.
В 1871 г. работа Мишера вместе с подтверждающими ее контрольными
работами Гоппе-Зейлера и его ассистентов увидела свет. Существование
нуклеина как специфического ядерного вещества стало научным фактом.
Вскоре методика Мишера была применена для выделения нуклеина из
различных тканей.
Термин «нуклеиновые кислоты» был предложен в 1889: нуклеиновыми
они были названы потому, что впервые были открыты в ядрах клеток, а
кислотами — из-за наличия в их составе остатков фосфорной кислоты. Позже
было показано, что нуклеиновые кислоты построены из большого числа
нуклеотидов (от нескольких десятков до сотен миллионов). В состав каждого
нуклеотида входит азотистое основание, углевод (пентоза) и фосфорная
кислота.
3.2
Нахождение
нуклеиновых
кислот
в
природе.
Получение
нуклеиновых кислот
Нуклеиновые кислоты в природе встречаются во всех живых клетках.
Живые клетки, за исключением сперматозоидов, в норме содержат значительно
больше рибонуклеиновой, чем дезоксирибонуклеиновой кислоты. На методы
выделения дезоксирибонуклеиновых кислот оказало большое влияние то
обстоятельство, что, тогда как рибонуклеопротеиды и рибонуклеиновые
кислоты растворимы в разбавленном (0,15 М) растворе хлористого натрия,
дезоксирибонуклеопротеидные комплексы фактически в нем нерастворимы.
Поэтому гомогенизированный орган или организм тщательно промывают
разбавленным солевым раствором, из остатка с помощью крепкого солевого
раствора экстрагируют дезоксирибонуклеиновую кислоту, которую осаждают
затем добавлением этанола.
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В клетках эукариот (например, животных или растений) ДНК находится в
ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах
(митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов
(бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый
нуклеотид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших
эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные,
преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Кроме
того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном
ДНК-содержащих вирусов.
В
клетках
нуклеиновые
кислоты
связаны
с
белками,
образуя
нуклеопротеиды. Выделение нуклеиновых кислот сводится к очистке их от
белков.
Для
этого
препараты,
содержащие
нуклеиновые
кислоты,
обрабатывают ПАВ и экстрагируют белки фенолом. Послед, очистка и
фракционирование
нуклеиновых
кислот
проводятся
с
помощью
ультрацентрифугирования, различных видов жидкостной хроматографии и гель
- электрофореза. Для получения индивидуальных нуклеиновых кислот обычно
используют различные варианты последнего метода.
Современные
методы
химического
синтеза
нуклеиновых
кислот
позволяют получать крупные фрагменты ДНК, в том числе целые гены.
Методические основы химически - ферментативных методов синтеза ДНК
разработаны X. Кораной.
Они включают:
- химический
синтез
комплементарных,
взаимоперекрывающихся
олигонуклеотидов, из которых затем в результате комплементационных
взаимодействий
выстраиваются
дуплексы
-
фрагменты
молекулы
синтезируемой ДНК с несовпадающими разрывами в обеих цепях;
- соединение (лигирование) таких олигонуклеотидов в составе дуплекса с
помощью
фермента
Т4
ДНК-лигазы.
Сборку
протяженных
ДНК
из
синтетически однотяжевых олигонуклеотидов проводят в несколько этапов.
Сначала собирают небольшие дуплексы с "липкими" концами (однотяжевыми
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
комплементарными участками), из которых затем последовательно формируют
более протяженные структуры. Таким образом, могут быть получены
искусственные фрагменты ДНК большой длины и с любой нуклеотидной
последовательностью.
клонирование
С
помощью
(получение
в
генетической
индивидуальном
инженерии
виде
и
возможно
размножение)
искусственных ДНК.
Несмотря на малую эффективность этого метода, были синтезированы
олигонуклеотиды, содержащие до 16 звеньев, из которых были собраны первые
синтетические гены. Фосфодиэфирный метод образования межнуклеотидных
связей, использованный Кораной, имеет историческое значение. Однако
разработанные им приемы введения и избирательные удаления защитных групп
широко используются в других методах синтеза нуклеиновых кислот.
Важным шагом в совершенствовании синтеза олигонуклеотидов явилась
разработка так называемого фосфотриэфирного метода. Образующийся
динуклеотид
после
частичного
деблокирования
фосфата
конденсируют
аналогичным образом с другими динуклеотидом и т.д. Применение этого
способа, в котором используют защиту фосфатной группы, позволило
значительно сократить время синтеза и повысить выходы олигонуклеотидов.
Параллельно этим методам, которые осуществляют в растворах,
разрабатывались твердофазные способы синтеза нуклеиновых кислот. В
последнем случае процесс проводят в двухфазной системе; нуклеозидный
компонент связан ковалентно с нерастворимым полимером, а нуклеотидный
компонент и необходимые реагенты находятся в растворе.
Обычно в этом случае на первой стадии нуклеозид присоединяют с
помощью "якорной" группы к нерастворимому полимеру. Затем его 5'гидроксильную группу деблокируют и конденсируют с нуклеотидным
компонентом.
У
образующегося
полностью
защищенного
динуклеозидмонофосфата деблокируют защитную группу в положении 5' и
присоединяют следующему нуклеотид и т.д.
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Наиболее
распространенные
методы
твердофазного
синтеза
олигонуклеотидов основаны на использовании нуклеотидного компонента,
содержащего Р(III). В так называемом амидофосфитном способе нуклеотидным
компонентом является эфир 3'-амидофосфита дезоксинуклеозида. Достаточно
устойчивые амидофосфиты при протонировании в присутствии тетразола
превращаются в сильные фосфорилирующие агенты. После завершения синтеза
удаляют
защитные
группы
с
межнуклеотидных
фосфатов,
отделяют
олигонуклеотид от носителя, деблокируют группы NH2 гетероциклов.
Липофильную группу (МеО)2Тr удаляют после первого хроматографического
разделения.
Стандартность операций в твердофазном синтезе олигонуклеотидов
явилась основой для автоматизации процесса. Принцип работы автоматасинтезатора основан на подаче в реактор с помощью насоса (под контролем
микропроцессора) защищенных нуклеотидных компонентов реагентов и
растворителей по заданной программе в колонку, содержащую полимерный
носитель с закрепленным на нем первым нуклеозидом. После окончания
синтеза и отделения полностью защищенного олигонуклеотида от полимерного
носителя проводят деблокирование, очистку и анализ синтезированных
фрагментов ДНК. Так, с помощью гидрофосфорильного метода в автомате синтезаторе за несколько часов получают 30-40-звенные олигонуклеотиды;
возможен синтез более чем 100-звенных фрагментов ДНК. Разработаны
синтезаторы,
позволяющие
проводить
одновременно
синтез
несколько
олигонуклеотидов.
Синтез олигорибонуклеотидов ферментативным путем осуществляют
обычно с использованием рибонуклеаз или полинуклеотидфосфорилаз.
В качестве нуклеотидного и нуклеозидного компонента применяют
мономеры или олигонуклеотиды. Эту реакцию используют для синтеза ди-,
три- и тетрарибонуклеотидов. При увеличении длины олигорибонуклеотида
начинает преобладать обратная реакция (гидролиз олигонуклеотида).
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Химический синтез олигорибонуклеотидов проводят в основном с
использованием тех же приемов, как и при синтезе ДНК.
3.3 Общие свойства
Молекулы нуклеиновых кислот содержат множество отрицательно
заряженных фосфатных групп и образуют комплексы с ионами металлов; их
калиевая и натриевая соли хорошо растворимы в воде. Концентрированные
растворы нуклеиновых кислот очень вязкие и слегка опалесцируют, а в твердом
виде
эти
вещества
белые.
Нуклеиновые
кислоты
сильно
поглощают
ультрафиолетовый свет, и это свойство лежит в основе определения их
концентрации.
С
этим
же
свойством
связан
и
мутагенный
эффект
ультрафиолетового света.
Длинные молекулы ДНК хрупки и легко ломаются, например, при
продавливании раствора через шприц. Поэтому работа с высокомолекулярными
ДНК требует особой осторожности.
Химическая структура. Нуклеиновые кислоты это длинные цепочки,
состоящие из четырех многократно повторяющихся единиц (нуклеотидов). Их
структуру можно представить следующим образом:
Символ Ф обозначает фосфатную группу.
Чередующиеся
остатки
сахара
и
фосфорной
кислоты
образуют
сахарофосфатный остов молекулы, одинаковый у всех ДНК, а огромное их
разнообразие обусловливается тем, что четыре азотистых основания могут
располагаться вдоль цепи в самой разной последовательности.
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сахаром в нуклеиновых кислотах
является пентоза; четыре из пяти ее
углеродных атомов вместе с одним
атомом кислорода образуют кольцо.
Атомы углерода пентозы обозначают
номерами от 1 до 5. В РНК сахар
представлен
рибозой,
а
в
ДНК
дезоксирибозой, содержащей на один
Рисунок 9 - Строение и составные
атом кислорода меньше.
части нуклеотида
Поскольку фосфатные группы присоединены к сахару асимметрично, в
положениях 3 и 5, молекула нуклеиновой кислоты имеет определенное
направление.
Сложноэфирные
нуклеиновых
кислот
связи
чувствительны
между
к
мономерными
единицами
гидролитическому расщеплению
(ферментативному или химическому), которое приводит к высвобождению
отдельных компонентов в виде небольших молекул (рисунок 9).
Азотистые основания – это плоские гетероциклические соединения. Они
присоединены к пентозному кольцу по положению 1. Более крупные основания
имеют два кольца и называются пуринами: это аденин (А) и гуанин (Г).
Основания, меньшие по размерам, имеют одно кольцо и называются
пиримидинами: это цитозин (Ц), тимин (Т) и урацил (У). В ДНК входят
основания А, Г, Т и Ц, в РНК вместо Т присутствует У. Последний отличается
от тимина тем, что у него отсутствует метильная группа (CH3). Урацил
встречается в ДНК некоторых вирусов, где он выполняет ту же функцию, что и
тимин.
Трехмерная структура. Важной особенностью нуклеиновых кислот
является регулярность пространственного расположения составляющих их
атомов, установленная рентгеноструктурным методом. Молекула ДНК состоит
из двух противоположно направленных цепей (иногда содержащих миллионы
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нуклеотидов),
удерживаемых
вместе
водородными
связями
между
основаниями.
Водородные связи, соединяющие основания противоположных цепей,
относятся к категории слабых, но благодаря своей многочисленности в
молекуле ДНК они прочно стабилизируют ее структуру. Однако если раствор
ДНК нагреть примерно до 60 0С, эти связи рвутся и цепи расходятся –
происходит денатурация ДНК (плавление).
Обе цепи ДНК закручены по спирали относительно воображаемой оси,
как будто они навиты на цилиндр. Эта структура называется двойной
спиралью. На каждый виток спирали приходится десять пар оснований.
Правило
комплементарности.
Уотсон
и
Крик
показали,
что
образование водородных связей и регулярной двойной спирали возможно
только тогда, когда более крупное пуриновое основание аденин (А) в одной
цепи имеет своим партнером в другой цепи меньшее по размерам
пиримидиновое основание тимин (Т), а гуанин (Г) связан с цитозином (Ц). Эту
закономерность можно представить следующим образом:
Соответствие А→Т и Г→Ц называют правилом комплементарности, а
сами цепи комплементарными. Согласно этому правилу, содержание аденина в
ДНК всегда равно содержанию тимина, а количество гуанина – количеству
цитозина. Следует отметить, что две цепи ДНК, различаясь химически, несут
одинаковую информацию, поскольку вследствие комплементарности одна цепь
однозначно задает другую.
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Структура РНК менее упорядочена. Обычно это одноцепочечная
молекула, хотя РНК некоторых вирусов состоит из двух цепей. Но даже такая
РНК более гибка, чем ДНК. Некоторые участки в молекуле РНК взаимно
комплементарны и при изгибании цепи спариваются, образуя двухцепочечные
структуры (шпильки). В первую очередь это относится к транспортным РНК
(тРНК). Некоторые основания в тРНК подвергаются модификации уже после
синтеза молекулы. Например, иногда происходит присоединение к ним
метильных групп.
Рисунок 10 - Дезоксирибонуклеиновая кислота
Дезоксирибонуклеи́новая кислота́ (ДНК) — один из двух типов
нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в
поколение
и
реализацию
генетической
программы
развития
и
функционирования живых организмов (рисунок 10). Основная роль ДНК в
клетках — долговременное хранение информации о структуре РНК и белков. В
клетках эукариот (например, животных или растений) ДНК находится в ядре
клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах
(митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов
(бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый
нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные,
преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Кроме
того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном
ДНК-содержащих вирусов.
С химической точки зрения, ДНК — это длинная полимерная молекула,
состоящая из повторяющихся блоков, нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит
из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы.
Связи
между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной
группы. В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов,
содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух
цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта
двухцепочечная молекула спирализована. В целом структура молекулы ДНК
получила название «двойной спирали».
В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин,
тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с
азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно
принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин
—
только
с
цитозином.
Последовательность
нуклеотидов
позволяет
«кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из
которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные
(рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице
ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК,
синтезируемой в процессе транскрипции и принимают участие в биосинтезе
белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей,
ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и
структурные функции. Кроме того, в геноме эукариот часто встречаются
участки, принадлежащие «генетическим паразитам», например, транспозонам.
Расшифровка структуры ДНК (1953 г.) стала одним из поворотных моментов в
истории биологии. За выдающийся вклад в это открытие Фрэнсису Крику,
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Джеймсу Уотсону, Морису Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по
физиологии и медицине 1962 г.
Структура молекулы
Нуклеотиды
Аденин
Гуанин
Тимин
Цитозин
Рисунок 11 - Структуры оснований, наиболее часто встречающихся в
составе ДНК
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) представляет собой биополимер
(полианион), мономером которого является нуклеотид. Каждый нуклеотид
состоит из остатка фосфорной кислоты присоединённого по 5'-положению к
сахару дезоксирибозе, к которому также через гликозидную связь (C—N) по 1'положению присоединено одно из четырёх азотистых оснований. Именно
наличие характерного сахара и составляет одно из главных различий между
ДНК и РНК, зафиксированное в названиях этих нуклеиновых кислот (в состав
РНК входит сахар рибоза). Пример нуклеотида — аденозинмонофосфат — где
основание, присоединённое к фосфату и рибозе, это аденин, показан на
рисунке.
Исходя из структуры молекул, основания, входящие в состав нуклеотидов
(рисунок 11), разделяют на две группы: пурины (аденин [A] и гуанин [G])
образованы соединёнными пяти- и шестичленным гетероциклами; пиримидины
(цитозин [C] и тимин [T]) — шестичленным гетероциклом. В виде исключения,
например, у бактериофага PBS1, в ДНК встречается пятый тип оснований —
урацил ([U]), пиримидиновое основание, отличающееся от тимина отсутствием
метильной группы на кольце, обычно заменяющее тимин в РНК. Следует
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
отметить, что тимин и урацил не так строго приурочены к ДНК и РНК
соответственно, как это считалось ранее. Так, после синтеза некоторых молекул
РНК значительное число урацилов в этих молекулах метилируется с помощью
специальных
ферментов,
превращаясь
в
тимин.
Это
происходит
в
транспортных и рибосомальных РНК.
В зависимости от концентрации
ионов
и
нуклеотидного
состава
молекулы, двойная спираль ДНК в
живых
организмах
существует
в
разных формах (рисунк 12). Полимер
ДНК
обладает
довольно
сложной
структурой.
Рисунок 12 - Двойная спираль ДНК
Нуклеотиды
соединены
между
собой
ковалентно
в
длинные
полинуклеотидные цепи. Эти цепи в подавляющем большинстве случаев
(кроме некоторых вирусов, обладающих одноцепочечными ДНК-геномами)
попарно объединяются при помощи водородных связей в структуру,
получившую название двойной спирали. Остов каждой из цепей состоит из
чередующихся
фосфатов
и
сахаров.
Фосфатные
группы
формируют
фосфодиэфирные связи между третьим и пятым атомами углерода соседних
молекул дезоксирибозы в результате взаимодействия между 3'-гидроксильной
(3'—ОН) группой одной молекулы дезоксирибозы и 5'-фосфатной группой (5'—
РО3) другой. Асимметричные концы цепи ДНК называются 3' (три прим) и 5'
(пять прим). Полярность цепи играет важную роль при синтезе ДНК
(удлинение цепи возможно только путём присоединения новых нуклеотидов к
свободному 3'-концу).
Как уже было сказано выше, у подавляющего большинства живых
организмов ДНК состоит не из одной, а из двух полинуклеотидных цепей. Эти
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
две длинные цепи закручены одна вокруг другой в виде двойной спирали,
стабилизированной
водородными
связями,
образующимися
между
обращёнными друг к другу азотистыми основаниями входящих в неё цепей. В
природе эта спираль, чаще всего, правозакрученная. Направления от 3'-конца к
5'-концу в двух цепях, из которых состоит молекула ДНК, противоположны
(цепи «антипараллельны» друг другу. Подобно тому, как в винтовой лестнице
сбоку можно увидеть ступеньки, на двойной спирали ДНК в промежутках
между фосфатным остовом молекулы можно видеть рёбра оснований, кольца
которых расположены в плоскости, перпендикулярной по отношению к
продольной оси макромолекулы. В двойной спирали различают малую и
большую бороздки. Белки, например, факторы транскрипции, которые
присоединяются к определённым последовательностям в двухцепочечной ДНК,
обычно взаимодействуют с краями оснований в большой бороздке, где те более
доступны.
3.4 Повреждение ДНК
ДНК может повреждаться разнообразными мутагенами, к которым
относятся
окисляющие
и
алкилирующие
вещества,
а
также
высокоэнергетическая электромагнитная радиация — ультрафиолетовое и
рентгеновское излучение. Тип повреждения ДНК зависит от типа мутагена.
Например, ультрафиолет повреждает ДНК путём образования в ней димеров
тимина, которые образуются при образовании ковалентных связей между
соседними основаниями. Оксиданты, такие как свободные радикалы или
перекись водорода приводят к нескольким типам повреждения ДНК, включая
модификации оснований, в особенности гуанозина, а также двуцепочечные
разрывы в ДНК. По некоторым оценкам в каждой клетке человека
окисляющими соединениями ежедневно повреждается порядка 500 оснований.
Среди разных типов повреждений наиболее опасные — это двуцепочечные
разрывы, потому что они трудно репарируются и могут привести к потерям
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
участков хромосом (делециям) и транслокациям. Многие молекулы мутагенов
вставляются (интеркалируют) между двумя соседними парами оснований.
Большинство этих соединений, например, этидий, дауномицин, доксорубицин и
талидомид
имеют
ароматическую
структуру.
Для
того,
чтобы
интеркалирующее соединение могло поместиться между основаниями, они
должны разойтись, расплетая и нарушая структуру двойной спирали. Эти
изменения в структуре ДНК мешают транскрипции и репликации, вызывая
мутации.
Поэтому
интеркалирующие
соединения
часто
являются
канцерогенами, наиболее известные из которых — бензопирен, акридины,
афлатоксин и бромистый этидий. Несмотря на эти негативные свойства, в силу
их
способности
подавлять
транскрипцию
и
репликацию
ДНК,
интеркалирующие соединения используются в химиотерапии для подавления
быстро растущих клеток рака.
3.5 Рибонуклеиновые кислоты
Рибонуклеи́новые кисло́ты (РНК) (рисунок
13)
-
нуклеиновые
нуклеотидов,
в
кислоты,
состав
полимеры
которых
входят
остаток ортофосфорной кислоты, рибоза (в
отличие от ДНК, содержащей дезоксирибозу)
и азотистые основания — аденин, цитозин,
гуанин и урацил (в отличие от ДНК,
содержащей вместо урацила тимин). Эти
молекулы содержатся в клетках всех живых
организмов, а также в некоторых вирусах.
Рисунок 13 - Рибонуклеи́новые кисло́ты
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Клеточные
РНК
образуются
в
ходе
процесса,
называемого
транскрипцией, то есть синтеза РНК на матрице ДНК, осуществляемого
специальными ферментами — РНК-полимеразами. Затем матричные РНК
(мРНК)
подвергаются
сплайсингу
и
принимают
участие
в
процессе,
называемом трансляцией. Трансляция — это синтез белка на матрице мРНК
при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются
химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной
структур выполняют функции, зависящие от типа РНК. Для одноцепочечных
РНК характерны разнообразные пространственные структуры, в которых часть
нуклеотидов одной и той же цепи спарены между собой. Некоторые
высокоструктурированные РНК принимают участие в синтезе белка клетки,
например, транспортные РНК служат для узнавания кодонов и доставки
соответствующих аминокислот к месту синтеза белка, а рибосомные РНК
служат структурной и каталитической основой рибосом. Однако функции РНК
в современных клетках не ограничиваются их ролью в трансляции. Так малые
ядерные РНК принимают участие в сплайсинге эукариотических матричных
РНК и других процессах. Помимо того, что молекулы РНК входят в состав
некоторых ферментов (например, теломеразы) у отдельных РНК обнаружена
собственная энзиматическая активность, способность вносить разрывы в другие
молекулы РНК или, наоборот, «склеивать» два РНК-фрагмента. Такие РНК
называются рибозимами. Геномы ряда вирусов состоят из РНК, то есть у них
она играет роль, которую у высших организмов выполняет ДНК. На основании
разнообразия функций РНК в клетке была выдвинута гипотеза, согласно
которой
РНК —
первая
молекула,
которая
была
способна
к
самовоспроизведению в добиологических системах.
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.6 Химический состав и модификации мономеров
Химическое строение полинуклеотида РНК
Нуклеотиды
РНК
состоят
из
сахара — рибозы, к которой в положении
1'
присоединено
аденин,
гуанин,
одно
из
цитозин
оснований:
или
урацил.
Фосфатная группа соединяет рибозы в
цепочку,
образуя
связи
с
3'
атомом
углерода одной рибозы и в 5' положении
другой.
Фосфатные
физиологическом
группы
рН
при
отрицательно
заряжены, поэтому РНК — полианион.
Рисунок 14 – Химическое строение
полинуклеотида РНК
РНК транскрибируется как полимер четырёх оснований (аденина (A),
гуанина (G), урацила (U) и цитозина (C)), но в «зрелой» РНК есть много
модифицированных оснований и сахаров (рисунок 14). Всего в РНК
насчитывается около 100 разных видов модифицированных нуклеозидов, из
которых
2'-О-метилрибоза
наиболее
частая
модификация
сахара,
а
псевдоуридин — наиболее часто встречающееся модифицированное основание.
У псевдоуридина (Ψ) связь между урацилом и рибозой не C — N, а C — C, этот
нуклеотид встречается в разных положениях в молекулах РНК. В частности,
псевдоуридин важен для функционирования тРНК. Другое заслуживающее
внимания модифицированное основание — гипоксантин, деаминированный
гуанин, нуклеозид которого носит название инозина. Инозин играет важную
роль в обеспечении вырожденности генетического кода. Роль многих других
модификаций не до конца изучена, но в рибосомальной РНК многие пост76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
транскрипционные модификации находятся в важных для функционирования
рибосомы участках. Например, на одном из рибонуклеотидов, участвующим в
образовании пептидной связи.
Структура.
Азотистые основания в составе РНК могут образовывать водородные
связи между цитозином и гуанином, аденином и урацилом, а также между
гуанином и урацилом. Однако возможны и другие взаимодействия, например,
несколько аденинов могут образовывать петлю, или петля, состоящая из
четырёх нуклеотидов, в которой есть пара оснований аденин — гуанин
(рисунок 15).
Рисунок 15 - Разные формы нуклеиновых кислот
Важная структурная особенность РНК, отличающая её от ДНК —
наличие гидроксильной группы в 2' положении рибозы, которая позволяет
молекуле РНК существовать в А, а не В-конформации, наиболее часто
наблюдаемой у ДНК. У А-формы глубокая и узкая большая бороздка и
неглубокая и широкая малая бороздка. Второе последствие наличия 2'
гидроксильной группы состоит в том, что конформационно пластичные, то есть
не принимающие участие в образовании двойной спирали, участки молекулы
РНК могут химически атаковать другие фосфатные связи и их расщеплять.
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вторичная структура РНК-компонента теломеразы простейших
«Рабочая» форма одноцепочечной молекулы РНК, как и у белков, часто
обладает третичной структурой. Третичная структура образуется на основе
элементов вторичной структуры, образуемой с помощью водородных связей
внутри одной молекулы. Различают несколько типов элементов вторичной
структуры — стебель-петли, петли и псевдоузлы. В силу большого числа
возможных
вариантов
спаривания
оснований
предсказание
вторичной
структуры РНК — гораздо более сложная задача, чем предсказание вторичной
структуры белков, но в настоящее время есть эффективные программы,
например, mfоld.
Примером зависимости функции молекул РНК от их вторичной
структуры являются участки внутренней посадки рибосомы (IRES). IRES —
структура
на
5'
конце
информационной
РНК,
которая
обеспечивает
присоединение рибосомы в обход обычного механизма инициации синтеза
белка, требующего наличия особого модифицированного основания (кэпа) на 5'
конце и белковых факторов инициации. Первоначально IRES были обнаружены
в вирусных РНК, но сейчас накапливается всё больше данных о том, что
клеточные мРНК также используют IRES-зависимый механизм инициации в
условиях стресса. Многие типы РНК, например, рРНК и мРНК в клетке
функционируют в виде комплексов с белками, которые ассоциируют с
молекулами РНК после их синтеза или (у эукариот) экспорта из ядра в
цитоплазму.
Такие
РНК-белковые
комплексы
называются
рибонуклеопротеиновыми комплексами или рибонуклеопротеидами.
Сравнение с ДНК
Между ДНК и РНК есть три основных отличия:
1)
ДНК содержит сахар дезоксирибозу, РНК — рибозу, у которой есть
дополнительная, по сравнению с дезоксирибозой, гидроксильная группа. Эта
группа увеличивает вероятность гидролиза молекулы, то есть уменьшает
стабильность молекулы РНК;
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2)
нуклеотид, комплементарный аденину, в РНК не тимин, как в ДНК,
а урацил — неметилированная форма тимина;
3)
ДНК существует в форме двойной спирали, состоящей из двух
отдельных
молекул.
Молекулы
РНК,
в
среднем,
гораздо
короче
и
преимущественно одноцепочечные.
Структурный анализ биологически активных молекул РНК, включая тРНК,
рРНК, мяРНК и другие молекулы, которые не кодируют белков, показал, что
они состоят не из одной длинной спирали, а из многочисленных коротких
спиралей, расположенных близко друг к другу и образующих нечто, похожее
на третичную структуру белка. В результате этого РНК может катализировать
химические реакции, например, пептидил-трансферазный центр рибосомы,
участвующий в образовании пептидной связи белков, полностью состоит из
РНК.
Типы РНК
Матричная (информационная) РНК — РНК, которая служит посредником
при передаче информации, закодированной в ДНК к рибосомам, молекулярным
машинам,
синтезирующим
последовательность
мРНК
белки
живого
определяет
организма.
последовательность
Кодирующая
аминокислот
полипептидной цепи белка. Однако подавляющее большинство РНК не
кодируют белок. Эти некодирующие РНК могут транскрибироваться с
отдельных генов (например, рибосомальные РНК) или быть производными
интронов. Классические, хорошо изученные типы некодирующих РНК — это
транспортные РНК (тРНК) и рРНК, которые участвуют в процессе трансляции.
Существуют также классы РНК, ответственные за регуляцию генов, процессинг
мРНК и другие роли. Кроме того, есть и молекулы некодирующих РНК,
способные катализировать химические реакции, такие, как разрезание и
лигирование
молекул
РНК.
По
аналогии
с
белками,
способными
катализировать химические реакции - энзимами (ферментами), каталитические
молекулы РНК называются рибозимами.
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Химические свойства нуклеиновых кислот
Нуклеиновые кислоты:
- хорошо растворимы в воде;
- практически не растворимы в органических растворителях;
- очень чувствительны к действию температуры и критических значений
уровня pH;
- молекулы ДНК с высокой молекулярной массой, выделенные из
природных
источников,
способны
фрагментироваться
под
действием
механических сил, например при перемешивании раствора;
- нуклеиновые кислоты фрагментируются ферментами — нуклеазами.
Химические свойства РНК
Напоминают свойства ДНК, однако наличие дополнительных групп ОН в
рибозе и меньшее (в сравнении с ДНК) содержание стабилизированных
спиральных участков делает молекулы РНК химически более уязвимыми. При
действии кислот или щелочей основные фрагменты полимерной цепи Р(О)-ОСН2 легко гидролизуются, группировки А, У, Г и Ц отщепляются легче. Если
нужно получить мономерные фрагменты, сохранив при этом химически
связанные гетероциклы, используют деликатно действующие ферменты,
называемые рибонкулеазами.
Химические свойства ДНК
В воде ДНК образует вязкие растворы, при нагревании таких растворов
до 60 °С или при действии щелочей двойная спираль распадается на две
составляющие цепи, которые вновь могут объединиться, если вернуться к
исходным условиям. В слабокислых условиях происходит гидролиз, в
результате частично расщепляются фрагменты – Р-О-СН2- с образованием
фрагментов – Р-ОН и НО-СН2 , соответственно результате образуются
мономерные, димерные (сдвоенные) или примерные (утроенные) кислоты,
представляющие собой звенья, из которых была собрана цепь ДНК.
Участие ДНК и РНК в синтезе белков – одна из основных функций
нуклеиновых кислот. Белки – важнейшие компоненты каждого живого
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
организма. Мышцы, внутренние органы, костная ткань, кожный и волосяной
покров млекопитающих состоят из белков. Это полимерные соединения,
которые собираются в живом организме из различных аминокислот. В такой
сборке управляющую роль играют нуклеиновые кислоты, процесс проходит в
две
стадии,
причем
на
каждой
из
них
определяющий
фактор
–
информацию
и
взаимоориентация азотсодержащих гетероциклов ДНК и РНК.
Основная
задача
ДНК
–
хранить
записанную
предоставлять в тот момент, когда начинается синтез белков. В связи с этим
понятна повышенная химическая устойчивость ДНК в сравнении с РНК.
Природа позаботилась о том, чтобы сохранить по возможности основную
информацию неприкосновенной.
3.7 Применение нуклеиновых кислот
Последнее
десятилетие
характеризуется
интенсивным
развитием
технологий, которые ориентированы на создание устройств, позволяющих
получать информацию о свойствах различных сред (объектов) в форме
электрического сигнала. В сенсорных технологиях чувствительный элемент
способен "узнать" исследуемое вещество среди множества родственных и
преобразовать
полученную
информацию
о
его
присутствии
в
ответ,
фиксируемый в цифровой или аналоговой форме. Наибольшее развитие имеют
аналитические устройства, использующие в качестве узнающего элемента
биомакромолекулы - биосенсоры.
Принцип
действия
биодатчиков,
использующих
частицы
жидкокристаллической дисперсии, состоит в следующем: азотистые основания
в
молекулах
ДНК,
фиксированных
в
структуре
холестерической
жидкокристаллической дисперсии, тем или иным способом "узнают" молекулы
биологически активного соединения (БАС) и "адресуют" их в определенные
места на поверхности ДНК. Образование комплекса "ДНК-БАС" приводит к
появлению первичного (в частности, оптического) сигнала. Пространственная
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
структура холестерика многократно усиливает генерируемый в системе
первичный сигнал и делает видимыми результаты действия биологически
активного соединения на ДНК: в спектре кругового дихроизма появляется
аномальная полоса (полосы) в области поглощения биологически активного
соединения.
Амплитуда
этой
полосы
пропорциональна
концентрации
биологически активного соединения, а знак полосы несет информацию о
способе ориентации его молекул по отношению к парам оснований ДНК.
В последние годы возрос интерес к иммуностимуляторам. Впервые
нуклеиновые
кислоты стали применять в 1882 году по инициативе
Горбачевского при инфекционных заболеваниях стрепто - и стафилококкового
происхождения. В 1911 году Черноруцкий установил, что под влиянием
дрожжевой нуклеиновой кислоты увеличивается количество иммунных тел.
Нуклеинат натрия: увеличивает фагоцитарную активность, активирует
поли- и мононуклеары, увеличивает эффективность тетрациклинов при
смешанной инфекции, вызванной стафилококком и синегнойной палочкой. При
профилактическом
введении
нуклеинат
натрия
обусловливает
и
противовирусный эффект, так как обладает интерфероногенной активностью.
Нуклеинат натрия ускоряет формирование прививочного иммунитета,
увеличивает его качество, позволяет уменьшить дозу вакцины. Этот препарат
оказывает позитивный эффект при лечении больных с хроническим паротитом,
язвенной
болезнью,
различными
формами
пневмонии,
хроническим
воспалением легких, бронхиальной астмой. Нуклеинат натрия увеличивает
содержание РНК и белка в макрофагах в 1,5 раза и гликогена в 1,6 раза,
увеличивает
активность
лизосомальных
ферментов,
следовательно,
увеличивает завершенность фагоцитоза макрофагами. Препарат увеличивает
содержание у человека лизоцима и нормальных антител, если их уровень был
снижен.
Особое место среди препаратов нуклеиновых кислот занимает иммунная
РНК макрофагов, которая представляет собой информационную РНК, которая
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вносит в клетку фрагмент антигена. То есть, идет неспецифическая стимуляция
иммунокомпетентных клеток нуклеотидами.
Неспецифическими
стимуляторами
являются
синтетические
двухцепочечные полинуклеотиды, которые стимулируют антителообразование,
увеличивают антигенный эффект неиммуногенных доз антигена, обладающего
антивирусными свойствами, связанными с интерфероногенной активностью.
Их механизм действия сложен и недостаточно выяснен. Двунитчатая РНК
включается
в
систему
регуляции
синтеза
белка
в
клетке,
активно
взаимодействуя с клеточной мембраной.
Но высокая стоимость препаратов, недостаточная их эффективность,
наличие побочных явлений (тошнота, рвота, снижение артериального давления,
увеличение температуры тела, нарушение функций печени, лимфопения - из-за
прямого токсического действия на клетки), отсутствие схем использования
делают применение препаратов ограниченным.
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4
Углеводы.
Строение
и
функции
моно-,
олиго-,
полисахаридов
Углеводы
-
вещества состава
СмН2пОп, имеющие первостепенное
биохимическое значение, широко распространены в живой природе и играют
большую роль в жизни человека.
Название углеводы возникло на основании данных
анализа первых
известных представителей этой группы соединения. Вещества этой группы
состоят из углерода, водорода и кислорода, причем соотношение чисел атомов
водорода и кислорода в них такое же, как и в воде, т.е. на каждые 2 атома
водорода приходится один атом кислорода. В прошлом столетии их
рассматривали как гидраты углерода. Отсюда и возникло русское название
углеводы, предложенное в 1844г. К. Шмидтом. Общая формула
углеводов,
согласно сказанному, СмН2пОп. При вынесении «n» за скобки получается
формула См(Н2О)n, которая очень наглядно отражает название «угле - воды».
Изучение углеводов показало, что существуют соединения, которые по
всем свойствам нужно отнести в группу углеводов, хотя они имеют состав не
точно соответствующий формуле СмH2пОп. Тем не менее, старинное название
«углеводы», сохранилось до наших дней, хотя наряду с этим названием для
обозначения рассматриваемой группы веществ иногда
применяют и более
новое название - глициды.
Источниками углеводов в питании служат главным образом продукты
растительного происхождения - хлеб, крупы, картофель, овощи, фрукты, ягоды.
Из продуктов животного происхождения углеводы содержаться в молоке
(молочный сахар). Пищевые продукты содержат различные углеводы. Крупы,
картофель содержат крахмал - сложное вещество (сложный углевод),
нерастворимое в воде, но расщепляющееся под действием пищеварительных
соков на более простые сахара. Во фруктах, ягодах и некоторых овощах
углеводы содержаться в виде различных более простых сахаров - фруктовый
сахар, свекловичный сахар, тростниковый сахар, виноградный сахар (глюкоза)
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
и др. Эти вещества растворимы в воде и хорошо усваиваются в организме.
Растворимые в воде сахара быстро всасываются в кровь. Целесообразно
вводить не все углеводы в виде сахаров, а основную их массу вводить в виде
крахмала, которым богат, например, картофель. Это способствует постепенной
доставке сахара тканям. Непосредственно в виде сахара рекомендуется вводить
лишь от 20 % – до 25 % от общего количества углеродов, содержащихся в
суточном рационе питания. В это число входит и сахар, содержащийся в
сладостях, кондитерских изделиях, фруктах и ягодах.
Если углеводы поступают с пищей в достаточном количестве, они
откладываются главным образом в печени и мышцах в виде особого животного
крахмала - гликогена. В дальнейшем запас гликогена расщепляется в организме
до глюкозы и, поступая в кровь и другие ткани, используются для нужд
организма. При избыточном же питании углеводы переходят в организме в
жир. К углеводам обычно относят и клетчатку (оболочку растительных клеток),
которая мало используется организмом человека, но необходима для
правильных процессов пищеварения.
4.1 Классификация углеводов
Большой класс углеводов разделяют на две группы: простые и сложные
(рисунок 16).
Простыми углеводами (моносахаридами и мономинозами) называют
углеводы, которые не способны гидролизоваться с образованием более простых
углеводов,
у них число атомов углерода
равно числу атомов кислорода
СпН2nОп.
Сложными углеводами (полисахаридами или полиозами) называют
такие углеводы, которые способны гидролизоваться с образованием простых
углеводов и у них число атомов углерода не равно числу атомов кислорода
СмН2пОп.
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МОНОСАХАРИДЫ
ДИСАХАРИДЫ
Тетрозы С4Н8О4
сахароза
элитроза
лактоза
треоза
мальтоза
Пентозы
С5Н10О5
целобиоза
арабиноза
ПОЛИСАХАРИДЫ
ксилоза
(С5Н8О4)n
рибоза
пентозаны
ГЕКСОЗЫ
С12Н22О11
С6Н12О6
(С6Н10О5)n
глюкоза
целлюлоза
манноза
крахмал
галактоза
гликоген
фруктоза
Рисунок 16 - Классификация углеводов
4.2 Моносахариды.
Химические свойства моносахаридов (на
примере глюкозы)
Моносахариды (от греческого monos: единственный, sacchar: сахар), —
органические соединения, одна из основных групп углеводов; самая простая
форма сахара; являются обычно бесцветными, растворимыми в воде,
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
прозрачными твердыми веществами. Некоторые моносахариды обладают
сладким
вкусом.
Моносахариды
—
стандартные
блоки,
из
которых
синтезируются дисахариды (такие, как сахароза) и полисахариды (такие, как
целлюлоза и крахмал), содержат гидроксильные группы и альдегидную
(альдозы) или кетогруппу (кетозы). Моносахариды, как и все углеводы,
содержат только 3 элемента (C,O,H).
Если в линейной форме молекулы моносахарида есть альдегидная группа,
то такой углевод относится к альдозам, т. е. представляет собой альдегидоспирт
(альдозу), если же карбонильная группа в линейной форме молекулы не связана
с атомом водорода, то это кетоноспирт (кетоза).
По числу атомов углерода в молекуле моносахариды делятся на триозы (n
= 3), тетрозы (n = 4), пентозы (n =5), гексозы (n = 6) и т. д. В природе чаще
всего встречаются пентозы и гексозы.
Если в линейной форме молекулы гексозы есть альдегидная группа, то
такой углевод относится к альдогексозам (например, глюкоза), а если только
карбонильная, то - к кетогексозам (например, фруктоза).
Сложность химического и пространственного строения моносахаридов
приводит к тому, что у них существует множество изомеров, так, например,
существует
несколько
десятков
изомерных
гексоз.
Картина осложняется еще и тем, что при растворении моносахаридов у части
молекул происходит обратимое раскрытие цикла, а обратная циклизация может
привести
к
образованию
другого
изомера.
Для
-глюкозы
(обычной
кристаллической формы глюкозы) этот процесс выражается следующим
уравнением:
-форма
альдегидная (линейная)форма
-форма
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Являясь двуфункциональным соединением, глюкоза проявляет свойства
многоатомного спирта и альдегида (в растворе) - качественная реакция.
1 Горение (а также полное окисление в живом организме):
C6H12O6 + 6O2
6CO2 +6H2O
а) как многоатомный спирт при комнатной температуре реагирует с Cu(OH)2,
образуя раствор синего цвета;
б) как альдегид окисляется аммиачным раствором оксида серебра (реакция
серебряного зеркала) или гидроксидом меди(II) (качественные реакции):
HOCH2—(CHOH)4—CHO
HOCH2—(CHOH)4—COOH
+ Ag2O
глюкоза
+ 2Ag
глюконовая кислота
HOCH2—(CHOH)4—CHO + Cu(OH)2
HOCH2—(CHOH)4—COOH + Cu2O + 2H2O;
в) как альдегид вступает в реакции присоединения (восстанавливается):
HOCH2—(CHOH)4—CHO
+ H2
глюкоза
2 Спиртовое брожение: C6H12O6
3 Молочнокислое брожение: C6H12O6
HOCH2—(CHOH)4—CH2OH
сорбит (гексангексаол-1,2,3,4,5,6)
2C2H5OH + 2CO2 .
2CH3—CH(OH)—COOH.
4.3 Дисахариды
Дисахариды — общее название подкласса олигосахаридов, у которых
молекула состоит из двух мономеров — моносахаридов. Дисахариды
образуются в результате реакции конденсации между двумя моносахаридами,
обычно гексозами. Реакция конденсации предполагает удаление воды. Связь
между моносахаридами, возникающая в результате реакции конденсации,
называется гликозидной связью. Обычно эта связь образуется между 1-м и 4-м
углеродными атомами соседних моносахаридных единиц (1,4-гликозидная
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
связь). Процесс конденсации может повторяться бессчетное число раз, в
результате чего возникают огромные молекулы полисахаридов. После
соединения моносахаридных единиц их называют остатками. Наиболее
распространенные дисахариды — это лактоза и сахароза.
Дисахариды подразделяются на две группы: восстанавливающие и
невосстанавливающие.
К восстанавливающим дисахаридам относится, в часности, мальтоза
(солодовый сахар), содержащаяся в солоде, т.е. проросших, а затем
высушенных и измельченных зернах хлебных злаков.
(мальтоза)
Мальтоза составлена из двух остатков D- глюкопиранозы, которые
связаны (1–4) -гликозидной связью, т.е. в образовании простой эфирной связи
участвуют гликозидный гидроксил одной молекулы и спиртовой гидроксил при
четвертом
атоме
углерода
другой
молекулы
моносахарида.
Мальтоза
представляет собой белые кристаллы, хорошо растворимые в воде, сладкие на
вкус, однако значительно меньше, чем у сахара (сахарозы).
Как видно, в мальтозе имеется свободный гликозидный гидроксил,
вследствие чего сохраняется способность к раскрытию цикла и переходу в
альдегидную форму. В связи с этим, мальтоза способна вступать в реакции,
характерные для альдегидов, и, в частности, давать реакцию "серебряного
зеркала", поэтому ее называют восстанавливающим дисахаридом. Кроме того,
мальтоза вступает во многие реакции, характерные для моносахаридов,
например, образует простые и сложные эфиры.
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СH3I
––––
NaOH
Мальтоза
Октаметилмальтоза
К невосстанавливающим дисахаридам относится сахароза (свекловичный
или тростниковый сахар). Она содержится в сахарном тростнике, сахарной
свекле (до 28% от сухого вещества), соках растений и плодах. Молекула
сахарозы состоит из остатков молекул глюкозы и фруктозы.
(сахароза)
В
противоположность
мальтозе
гликозидная
связь
(1–2)
между
моносахаридами образуется за счет гликозидных гидроксилов обеих молекул,
то есть свободный гликозидный гидроксил отсутствует. Вследствие этого
отсутствует восстанавливающая способность сахарозы, она не дает реакции
"серебряного
зеркала",
поэтому
ее
относят
к
невосстанавливающим
дисахаридам.
Сахароза – белое кристаллическое вещество, сладкое на вкус, хорошо
растворимое в воде.
Для сахарозы характерны реакции по гидроксильным группам. Как и все
дисахариды,
сахароза
при
кислотном
или
ферментативном
превращается в моносахариды, из которых она составлена.
90
гидролизе
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Химические свойства (на примере сахарозы)
В растворе сахарозы не происходит раскрытие циклов, поэтому она не
обладает свойствами альдегидов.
1 Гидролиз (в кислотной среде):
C12H22O11
+ H2O
сахароза
C6H12O6
+
C6H12O6
глюкоза
фруктоза
2 Являясь многоатомным спиртом, сахароза дает синее окрашивание
раствора при реакции с Cu(OH)2.
4.4 Полисахариды
Полисахариды — общее название класса сложных высокомолекулярных
углеводов, молекулы которых состоят из десятков, сотен или тысяч
мономеров — моносахаридов.
Полисахариды необходимы для жизнедеятельности животных и
растительных организмов. Они являются одним из основных источников
энергии, образующейся в результате обмена веществ организма. Они
принимают участие в иммунных процессах, обеспечивают сцепление клеток в
тканях, являются основной массой органического вещества в биосфере.
Установлена многообразная биологическая активность полисахаридов
растительного
происхождения:
антибиотическая,
противовирусная,
противоопухолевая, антидотная.
Полисахариды растительного происхождения выполняют большую роль
в уменьшении липемии и атероматоза сосудов благодаря способности давать
комплексы с белками и липо-протеидами плазмы крови.
К полисахаридам относятся, в частности:
- декстрин — полисахарид, продукт гидролиза крахмала;
- крахмал — основной полисахарид, откладываемый, как энергетический
запас у растительных организмов;
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- гликоген — полисахарид, откладываемый, как энергетический запас в
клетках животных организмов, но встречается в малых количествах и в тканях
растений;
- целлюлоза — основной структурный полисахарид клеточных стенок
растений;
- хитин — основной структурный полисахарид экзоскелета насекомых и
членистоногих, а также клеточных стенок грибов;
- галактоманнаны —
запасные
полисахариды
некоторых
растений
семейства бобовых, такие как гуаран и камедь рожкового дерева;
- глюкоманнан — полисахарид, получаемый из клубней конняку, состоит
из чередующихся звеньев глюкозы и маннозы, растворимое пищевое волокно,
уменьшающее аппетит;
- амилоид — применяется при производстве пергаментной бумаги.
Важнейшие из полисахаридов – это крахмал и целлюлоза (клетчатка).
Они построены из остатков глюкозы. Общая формула этих полисахаридов
(C6H10O5)n. В образовании молекул полисахаридов обычно принимает участие
гликозидный (при С1 -атоме) и спиртовой (при С4 -атоме) гидроксилы, т.е.
образуется (1–4) -гликозидная связь.
4.5 Крахмал
Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов, построенных
из амилозы (от 10 % до 20 %) и амилопектина (от 80 % до 90 %). Крахмал
образуется в растениях при фотосинтезе и откладывается в виде "резервного"
углевода в корнях, клубнях и семенах. Например, зерна риса, пшеницы, ржы и
других злаков содержат от 60 % до 80 % крахмала, клубни картофеля – от 15 %
до 20 %. Родственную роль в животном мире выполняет полисахарид гликоген,
"запасающийся", в основном, в печени.
Крахмал – это белый порошок, состоящий из мелких зерен, не
растворимый в холодной воде. При обработке крахмала теплой водой удается
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
выделить две фракции: фракцию, растворимую в теплой воде и состоящую из
полисахарида амилозы, и фракцию, лишь набухающую в теплой воде с
образованием клейстера и состоящую из полисахарида амилопектина.
Амилоза имеет линейное строение. Элементная ячейка амилозы (и
крахмала вообще) представляется следующим образом:
Молекула амилопектина построена подобным образом, однако имеет в
цепи разветвления, что создает пространственную структуру. В точках
разветвления остатки моносахаридов связаны (1–6) -гликозидными связями.
Между точками разветвления располагаются обычно 20-25 глюкозных
остатков.
(амилопектин)
Крахмал легко подвергается гидролизу: при нагревании в присутствии
серной кислоты образуется глюкоза.
(C6H10O5)n(крахмал) + nH2O → H2SO4,t nC6H12O6(глюкоза)
В зависимости от условий проведения реакции гидролиз может
осуществляться ступенчато с образованием промежуточных продуктов.
(C6H10O5)n(крахмал)→(C6H10O5)m(декстрины
(m<n))
→
xC12H22O11(мальтоза) →nC6H12O6(глюкоза)
Качественной реакцией на крахмал является его взаимодействие с йодом
–
наблюдается
интенсивное
синее
окрашивание.
Такое
окрашивание
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
появляется, если на срез картофеля или ломтик белого хлеба поместить каплю
раствора йода.
Крахмал не вступает в реакцию "серебряного зеркала".
Качественная реакция на крахмал: с йодом возникает синее окрашивание.
Крахмал является ценным пищевым продуктом. Для облегчения его
усвоения продукты, содержащие крахмал, подвергают термообработке, т.е.
картофель и крупы варят, хлеб пекут. Процессы декстринизации (образование
декстринов), осуществляемые при этом, способствуют лучшему усвоению
организмом крахмала и последующему гидролизу до глюкозы.
4.6 Целлюлоза (клетчатка)
Целлюлоза – наиболее распространенный растительный полисахарид.
Она обладает большой механической прочностью и исполняет роль опорного
материала. Как и у крахмала, структурной единицей целлюлозы является Dглюкопираноза, звенья которой связаны (1-4) -гликозидными связями.
Целлюлоза состоит из нитевидных молекул, которые водородными
связями гидроксильных групп внутри цепи, а также между соседними цепями
собраны в пучки. Именно такая упаковка цепей обеспечивает высокую
механическую
прочность,
волокнистость,
нерастворимость
в
воде
и
химическую инертность, что делает целлюлозу идеальным материалом для
построения клеточных стенок.
Гликозидная связь не разрушается пищеварительными ферментами
человека, поэтому целлюлоза не может служить ему пищей, хотя в
определенном количестве является необходимым для нормального питания
балластным веществом. В желудках жвачных животных имеются ферменты,
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
расщепляющие целлюлозу, поэтому такие животные используют клетчатку в
качестве компонента пищи.
Несмотря на нерастворимость целлюлозы в воде и обычных органических
растворителях, она растворима в реактиве Швейцера (раствор гидроксида меди
в аммиаке), а также в концентрированном растворе хлористого цинка и в
концентрированной серной кислоте.
Как и крахмал, целлюлоза при кислотном гидролизе дает глюкозу.
Целлюлоза – многоатомный спирт, на элементную ячейку полимера
приходятся три гидроксильных группы. В связи с этим, для целлюлозы
характерны
реакции
этерификации
(образование
сложных
эфиров).
Наибольшее практическое значение имеют реакции с азотной кислотой и
уксусным ангидридом.
+3n HNO3 H2SO4
→
целлюлоза
+ 3n H2О
тринитрат
целлюлозы
При взаимодействии целлюлозы с уксусным ангидридом в
присутствии уксусной и серной кислот образуется триацетилцеллюлоза.
+
3n
+ 3n СH3СOOН
→
триацетилцеллюлоза
Целлюлоза не дает реакции "серебряного зеркала".
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Цикл Кребса
Этот цикл назван так в честь
открывшего его в 1930-х годах
исследователя — сэра Ганса Кребса.
Его
называют
также
«циклом
трикарбоновых кислот» и «циклом
лимонной
именно
кислоты»,
эти
поскольку
кислоты
в
нем
участвуют.
Цикл
Кребса
протекает
в
матриксе митохондрий (рисунок 18).
Ацетильные
группы
(2С)
вовлекаются в цикл, присоединяясь
к
4С-соединению
—
щавелево-
уксусной кислоте, в результате чего
образуется лимонная кислота (6С).
Рисунок 18 - Цикл Кребса
Далее следует цикл реакций, в которых поступившие в цикл ацетильные
группы
декарбоксилируются
дегидрируются
с
с
образованием
высвобождением
четырех
двух
пар
молекул
атомов
СO2
и
водорода,
присоединяющихся к переносчикам, в результате чего образуются три
молекулы восстановленного НАД и одна молекула восстановленного ФАД.
Каждый оборот цикла дает также одну молекулу АТФ. (Из одной молекулы
глюкозы образуются две ацетильные группы, и значит, для окисления каждой
молекулы глюкозы требуются два оборота цикла.) В конце цикла щавелевоуксусная кислота регенерирует и может теперь присоединить к себе новую
ацетильную группу.
Суммарное уравнение может быть записано в следующем виде:
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Весь водород из молекулы глюкозы оказывается в конечном счете у
переносчиков (НАД и ФАД). Весь углерод теряется в виде С02. (Может вызвать
удивление присутствие в этом уравнении шести молекул воды. Вода нужна в
качестве источника кислорода в реакциях декарбоксилирования — именно
такое происхождение имеет часть кислорода в СO2.
4.7 Переваривание углеводов в желудочно-кишечном тракте
Поступающие в организм человека сложные углеводы пищи имеют иную
структуру, чем углеводы человеческого тела. Так полисахариды, составляющие
растительный крахмал,- амилоза и амилопектин - представляют собой
линейные
или
слаборазветвленные
полимеры
глюкозы,
а
крахмал
человеческого тела - гликоген,- имея в основе те же глюкозные остатки,
образует из них иную - сильноразветвленную - полимерную структуру.
Поэтому усвоение пищевых олиго- и полисахаридов начинается с их
гидролитического (под действием воды) расщепления в процессе пищеварения
до моносахаридов.
Гидролитическое расщепление углеводов в процессе пищеварения
происходит под действием ферментов гликозидаз, расщепляющих 1-4 и 1-6
гликозидные связи в молекулах сложных углеводов. Простые углеводы
пищеварению
не
подвергаются,
может
только
происходить
брожение
некоторой части их в толстом кишечнике под действием ферментов
микроорганизмов.
К гликозидазам относятся амилаза слюны, поджелудочного и кишечного
соков, мальтаза слюны и кишечного сока, конечная декстриназа, сахараза и
лактаза кишечного сока. Гликозидазы активны в слабощелочной среде и
угнетаются в кислой среде, за исключением амилазы слюны, которая
катализирует гидролиз полисахаридов в слабокислой среде и теряет активность
при увеличении кислотности.
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В ротовой полости начинается пищеварение крахмала под воздействием
амилазы слюны, которая расщепляет 1-4 гликозидные связи между остатками
глюкозы внутри молекул амилозы и амилопектина. При этом образуются
дектстрины и мальтоза. В слюне содержится в небольших количествах и
мальтаза, гидролизующая мальтозу до глюкозы. Другие дисахариды во рту не
расщепляются.
Большая часть молекул полисахаридов не успевает гидролизоваться во
рту. Смесь крупных молекул амилозы и амилопектина с более мелкими декстринами. Мальтозой, глюкозой- поступает в желудок. Сильно кислая среда
желудочного
сока
угнетает
ферменты
слюны,
поэтому
дальнейшие
превращения углеводов происходят в кишечнике, сок которого содержит
бикарбонаты, нейтрализующие соляную кислоту желудочного сока. Амилазы
поджелудочного и кишечного соков более активны, чем амилаза слюны. В
кишечном соке содержится также конечная декстриназа, гидролизующая 1-6
связи в молекулах амилопектина и декстринов. Эти ферменты завершают
расщепление полисахаридов до мальтозы. В слизистой оболочке кишечника
вырабатываются также ферменты, способные гидролизовать дисахариды :
мальтаза, лактага, сахараза. Под воздействием мальтазы мальтоза расщепляется
на две глюкозы, сахароза под воздействием сахаразы - на глюкозу и фруктозу,
лактаза расщепляет лактозу на глюкозу и галактозу.
В
пищеварительных
соках
отсутствует
фермент
целлюлаза,
гидролизующая поступающую с растительной пищей целлюлозу. Однако в
кишечнике имеются микроорганизмы, ферменты которых могут расщеплять
некоторое количество целлюлозы. При этом образуется дисахарид целлобиоза,
распадающийся потом до глюкозы.
Не расщепившаяся целлюлоза является механическим раздражителем
стенки кишечника, активирует его перистальтику и способствует продвижению
пищевой массы.
Под действием ферментов микроорганизмов продукты распада сложных
углеводов могут подвергаться брожению, в результате чего образуются
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
органические кислоты, СО2,СН4 и Н2. Схема превращений углеводов в
пищеварительной системе представлена на рисунке 19.
Образовавшиеся
в
результате
гидролиза углеводов
моносахариды по своей структуре
одинаковы
у
всех
организмов.
Среди
живых
продуктов
пищеварения преобладает глюкоза
(60 %), она же является главным
моносахаридом,
циркулирующим
кишечной
стенке
в
крови.
В
фруктоза
и
галактоза частично
превращаются в глюкозу, так что
содержание
ее
в
крови,
оттекающей от кишечника, больше,
чем в его полости.
Рисунок 19 - Схема превращений углеводов
в пищеварительной системе
Всасывание моносахаридов - активный физиологический процесс,
протекающий с затратой энергии. Ее обеспечивают окислительные процессы,
происходящие в клетках кишечной стенки. Моносахаориды получают энергию,
взаимодействуя с молекулой АТФ в реакциях, продуктами которых являются
фосфорные эфиры моносахаридов. При переходе из кишечной стенки в кровь
фосфорные эфиры расщепляются фосфатазами, и в кровоток поступают
свободные моносахариды. Поступление их из крови в клетки различных
органов также сопровождается их фосфорилированием.
Однако скорость превращения и появления в крови глюкозы из разных
продуктов разная. Механизм этих биологических процессов отражен в понятии
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
'гликемический индекс' (ГИ), которое показывает скорость превращения
углеводов пищи (крахмала, гликогена, сахарозы, лактозы, фруктозы и т.д.) в
глюкозу крови.
4.8 Роль углеводов
Углеводы служат основным источником энергии. Свыше 56 % энергии
организм получает за счет углеводов, остальную часть - за счет белков и жиров.
В зависимости от сложности строения, растворимости, быстроты
усвоения углеводы пищевых продуктов подразделяются на простые углеводы:
моносахариды (глюкоза, фруктоза, галактоза), дисахариды (сахароза, лактоза) и
сложные углеводы, или полисахариды (крахмал, гликоген, клетчатка) (таблица
10).
Простые углеводы легко растворяются в воде и быстро усваиваются. Они
обладают выраженным сладким вкусом и относятся к сахарам.
Наиболее распространенный моносахарид - глюкоза - содержится во
многих плодах и ягодах, а также образуется в организме в результате
расщепления дисахаридов и крахмала пищи. Глюкоза наиболее быстро и легко
используется в организме для образования гликогена, для питания тканей
мозга, работающих мышц (в том числе и сердечной мышцы), для поддержания
необходимого уровня сахара в крови и создания запасов гликогена печени. Во
всех
случаях
при
большом
физическом
напряжении
глюкоза
может
использоваться как источник энергии.
Фруктоза обладает теми же свойствами, что и глюкоза, и может
рассматриваться как ценный, легкоусвояемый сахар. Однако она медленнее
усваивается в кишечнике и, поступая в кровь, быстро покидает кровяное русло.
Фруктоза в значительном количестве (от 70 % до 80 %) задерживается в печени
и не вызывает перенасыщение крови сахаром. В печени фруктоза более легко
превращается в гликоген по сравнению с глюкозой. Фруктоза усваивается
лучше сахарозы и отличается большей сладостью. Высокая сладость фруктозы
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
позволяет использовать меньшие ее количества для достижения необходимого
уровня сладости продуктов и таким образом снизить общее потребление
сахаров, что имеет значение при построении пищевых рационов ограниченной
калорийности.
Таблица 10 - Содержание углеводов на 100 г продуктов, в мг
Овощи и фрукты
капуста
белокочанная
картофель
свекла
яблоки
виноград
Глюкоза
2,6
0,6
0,3
2,0
7,8
Фруктоза
1,6
0,1
0,1
5,5
7,7
Сахароза
0,4
0,6
8,6
1,5
0,5
Гемицеллюлоза
0,1
0,3
0,7
0,4
0,6
Клетчатка
1,0
1,0
0,9
0,6
-
Крахмал
0,1
16,0
0,1
0,8
0,6
Пектин
0,6
0,4
1,1
1,0
0,6
Избыток сахарозы оказывает влияние на жировой обмен, усиливая
жирообразование. Установлено, что при избыточном поступлении сахара
усиливается превращение в жир всех пищевых веществ (крахмала, жира, пищи,
частично и белка). Таким образом, количество поступающего сахара может
служить в известной степени фактором, регулирующим жировой обмен.
Обильное потребление сахара приводит к нарушению обмена холестерина и
повышению его уровня в сыворотке крови. Избыток сахара отрицательно
сказывается на функции кишечной микрофлоры. При этом повышается
удельный вес гнилостных микроорганизмов, усиливается интенсивность
гнилостных процессов в кишечнике, развивается метеоризм. Установлено, что в
наименьшей степени эти недостатки проявляются при потреблении фруктозы.
Основными источниками фруктозы являются фрукты и ягоды. Глюкоза и
фруктоза широко представлены в меде: содержание глюкозы достигает 36,2 %,
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
фруктозы – 37,1 %. В арбузах весь сахар представлен фруктозой, количество
которой составляет 8 %. Третий моносахарид - галактоза - в свободном виде в
пищевых
продуктах
не
встречается.
Галактоза
является
продуктом
расщепления основного углевода молока - лактозы.
Из дисахаридов в питании человека основное значение имеет сахароза,
которая при гидролизе распадается на глюкозу и фруктозу. Источниками
сахарозы в питании человека являются, главным образом, тростниковый и
свекловичный сахар. Содержание сахарозы в сахаре-песке составляет 99,75 %.
Натуральными источниками сахарозы являются бахчевые, некоторые овощи и
фрукты.
Сложные углеводы, или полисахариды, характеризуются усложненным
строением молекулы и плохой растворимостью в воде. К сложным углеводам
относятся крахмал, гликоген, пектиновые вещества и клетчатка.
Крахмал имеет основное пищевое значение. Высоким его содержанием в
значительной степени обуславливается пищевая ценность зерновых продуктов.
В пищевых рационах человека на долю крахмала приходится около 80 %
общего количества потребляемых углеводов. Превращение крахмала в
организме в основном направлено на удовлетворение потребности в сахаре.
Гликоген в организме используется в качестве энергетического материала
для питания работающих мышц, органов и систем. Восстановление гликогена
происходит путем его его ресинтеза за счет глюкозы.
Пектины относятся к растворимым веществам, усваивающимися в
организме. Современными исследованиями показано несомненное значение
пектиновых веществ в питании здорового человека, а также возможность
использовать их с терапевтической целью при некоторых заболеваниях
преимущественно желудочно-кишечного тракта.
Клетчатка по химической структуре весьма близка к полисахаридам.
Высоким содержанием клетчатки характеризуются зерновые продукты. Однако
помимо общего количества клетчатки, важное значение имеет ее качество.
Менее грубая, нежная клетчатка хорошо расщепляется в кишечнике и лучше
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
усваивается. Такими свойствами обладает клетчатка картофеля и овощей.
Клетчатка способствует выведению из организма холестерина.
Потребность в углеводах определяется величиной энергетических затрат.
Средняя потребность в углеводах для тех, кто не занят тяжелым физическим
трудом, 400 - 500 г в сутки.
Применение
углеводов
в
парентеральном
питании.
Углеводы
используются для парентерального питания в силу того, что они являются
наиболее доступными источниками энергии для организма больного. Их
энергетическая ценность составляет 4 ккал/г. Учитывая то, что суточная
потребность в энергии составляет около 1 500–2 000 ккал, то становится
понятной проблема изолированного применения углеводов для ее покрытия.
Если перевести расчет на изотонический раствор глюкозы, то для этого
потребуется перелить не менее 7–10 л жидкости, что может привести к таким
осложнениям,
как
гипергидратация,
отек
легких,
сердечно-сосудистые
нарушения.
Применение же более концентрированных растворов глюкозы чревато
опасностью возникновения гиперосмолярности плазмы, а также раздражением
интимы вен с развитием флебитов и тромбофлебитов.
Для того чтобы исключить осмотический диурез, нельзя допускать
превышения скорости вливания глюкозы более 0,4–0,5 г. кг-1.ч -1. В переводе на
изотонический раствор глюкозы это составляет чуть более 500 мл для больного
массой 70 кг. Чтобы предупредить возможные осложнения, обусловленные
нарушением толерантности к углеводам, надо добавлять к раствору глюкозы
инсулин в соотношении 1 ЕД инсулина на 3–4 г сухого вещества глюкозы.
Кроме положительного влияния на утилизацию глюкозы инсулин играет
важную роль в абсорбции аминокислот.
Среди многочисленных углеводов, существующих в природе, в практике
парентерального питания применяют глюкозу, фруктозу, сорбитол, глицерол,
декстран, этиловый алкоголь.
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Использование углеводов при диетическом питании. Многие диеты
основаны на исключении из рациона углеводов и увеличении потребления
белков и жиров. Опрос, проведенный министерством сельского хозяйства США
показал, что еда с повышенным употреблением углеводов менее калорийна и
более
питательна.
Также
было
обнаружено,
что
взрослые
люди,
употребляющие в пищу много углеводов, как правило, обладают нормальным
весом.
В США около 55 % населения страдает от избыточного веса, и за
последние 20 лет этот уровень увеличивается. В ходе Длительного опроса
населения о потреблении пищевых продуктов (Continuing Survey of Food Intakes
by Individuals) 1994-1996 года министерство сельского хозяйства собрало
данные о режиме питания 10 014 американцев. Информацию разделили на
четыре части по уровню потребления углеводов: менее 30 %, от 30 % до 45 %,
от 45 % до 55 % и более 55 %. Люди, употреблявшие в пищу в основном
углеводы, получали на 300 калорий меньше при одинаковом общем объеме
потребления еды. Из всех опрошенных у них был самый низкий индекс массы
тела. Это происходит главным образом из-за того, что на 1000 калорий
продуктов с высоким содержанием углеводов приходится большее количество
воды и клетчатки. Эта группа также получала больше питательных веществ,
таких как витамин А, каротин, витамин С, кальций, магний и железо. В
меньших количествах в их питании содержались жиры, холестерин, натрий,
цинк и витамин В12.
Доктор Шанти Боуман (Shanthy Bowman), главный автор исследования
и научный сотрудник министерства сельского хозяйства, сообщил, что у
«взрослых, которые получали более 55 % энергии из углеводов, была
энергетически ограниченная, но питательная диета вне зависимости от выбора
продуктов». Люди из этой группы употребляли мало молока, мяса, рыбы, и
выбирали эти продукты с пониженным содержанием жиров.
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5 Липиды. Строение и функции, классификация липидов.
Биологические мембраны
5.1 Липиды. Классификация липидов
Липидами
(от
греч.
Lipos
-
эфир)
называют
сложную
смесь
эфироподобных органических соединений с близкими физико-химическими
свойствами,
которая
содержится
в
клетках
растений,
животных
и
микроорганизмах. Липиды широко распространены в природе и вместе с
белками и углеводами составляют основную массу органических веществ всех
живых организмов, являясь обязательным компонентом каждой клетки. Они
широко используются при получении многих продуктов питания, являются
важными компонентами пищевого сырья, полупродуктов и готовых пищевых
продуктов, во многом определяя их пищевую и биологическую полноценность
и вкусовые качества.
Липиды не растворимы в воде (гидрофобны), хорошо растворимы в
органических растворителях (бензине, диэтиловом эфире, хлороформе и др.).
В растениях липиды накапливаются, главным образом, в семенах и
плодах. Ниже приведено содержание липидов, в процентах, в разных
культурах:
Подсолнечник (семянка) .................................................. 30—58
Хлопчатник (семена)......................................................... 20—29
Соя (семена) ...................................................................... 15—25
Лен (семена) ...................................................................... 30—48
Арахис (ядро) .................................................................... 50—61
Маслины (мякоть) .............................................................28—50
Конопля (семена).............................................................. 32—38
Тунг (ядро плода) ..............................................................48—66
Рапс (семена) .....................................................................45—48
Подсолнечник (семянка) .................................................. 30—58
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Хлопчатник (семена)......................................................... 20—29
Соя (семена) ...................................................................... 15—25
Лен (семена) ...................................................................... 30—48
Арахис (ядро) .................................................................... 50—61
Маслины (мякоть) ..............................................................28—50
Конопля (семена)............................................................... 32—38
Тунг (ядро плода) ...............................................................48—66
Рапс (семена) .....................................................................45—48
У животных и рыб липиды концентрируются в подкожных, мозговой и
нервной тканях и тканях, окружающих важные органы (сердце, почки).
Содержание липидов в тушке рыб (осетров) может достигать от 20 % до 25 %,
сельди – 10 %, у туш наземных животных оно сильно колеблется: 33 %
(свинина), 9,8 % (говядина), 3,0 % (поросята). В молоке оленя – от 17 % до 18
%, козы – 5,0 %, коровы – от 3,5 % до 4,0 % липидов. Содержание липидов в
отдельных видах микроорганизмов может достигать 60 %. Содержание липидов
в растениях зависит от сорта, места и условий их произрастания; у животных —
от вида, состава корма, условий содержания и т.д.
Классификация липидов по строению и способности к гидролизу.
По строению и способности к гидролизу липиды разделяют:
- омыляемые;
- неомыляемые.
Омыляемые липиды при гидролизе образуют несколько структурных
компонентов, а при взаимодействии с щелочами – соли жирных кислот.
По физиологическому значению липиды делят:
- запасные (резервные);
- структурные.
Резервные липиды депонируются в больших количествах и при
необходимости расходуются для энергетических нужд организма. К резервным
липидам относят триглицериды. Структурные липиды (в первую очередь,
фосфолипиды) образуют сложные комплексы с белками (липопротеиды),
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
углеводами, из которых построены мембраны клеток и клеточных структур, и
участвуют в разнообразных сложных процессах, протекающих в клетках. По
массе они составляют значительно меньшую группу липидов (в масличных
семенах от 3 % до 5 %).
Липиды делят на две основные группы:
- простые (нейтральные);
- сложные.
К простым нейтральным липидам (не содержащим атомов азота,
фосфора, серы) относят производные высших жирных кислот и спиртов:
глицеролипиды, воски, эфиры холестерина, гликолипиды и другие соединения.
Молекулы сложных липидов содержат в своем составе не только остатки
высокомолекулярных карбоновых кислот, но и фосфорную и серную кислоты.
К
сложным
липидам
сфингофосфолипиды),
относят:
стероиды
фосфолипиды
(холестерол,
(глицерофосфолипиды,
эргостерол,
ланостерол,
стигмастерол, экдистероиды) и др.
Простые липиды.
Ацилглицерины. Наиболее важная и распространенная группа простых
нейтральных липидов — ацилглицерины. Ацилглицерины (или глицериды) —
это сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот (таблица 11). Они
составляют основную массу липидов (иногда до 95 %) и, по существу, именно
их называют жирами или маслами. В состав жиров входят, главным образом,
триацилглицерины (I), а также диацилглицерины (II) и моноацилглицерины
(III) (рисунок 18).
R, R', R'' – углеводородные радикалы
Рисунок
18
–
триацилглицерины
(I),
диацилглицерины
(II)
и
моноацилглицерины (III);
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 11 – Основные карбоновые кислоты, входящие в состав природных
масел и жиров
Кислота
Число
Формула
атомов С
Насыщенные кислоты
Лауриновая
СН3-(СН2)10-СООН
12
Миристи новая
СН3-(СН2)12-СООН
14
Пальмитиновая
СН3-(СН2)14 - СООН
16
Стеариновая
СН3-(СН2)16-СООН
18
Арахиновая
СН3-(СН2)18-СООН
20
Ненасыщенные кислоты
Олеиновая
СН3- (СН2)7-СН=СН-(СН2)7-СООН
18
Эруковая
СН3-(СН2)-СН=СН-(СН2)11-СООН
22
Линолевая
СН3-(СН2)4-СН=СН-СН2-СН=СН-(СН2)7-СООН
18
Линоленовая
СН3-(СН2-СН=СН)3-(СН2)7-СООН
18
Арахидоновая
СН-(СН2)3-(СН2-СН=СН)4-(СН2)3-СООН
20
Оксикислоты
Рициноленовая
СН3-(СН2)5-СНОН-СН2-СН=СН-(СН2)7-СООН
18
Триацилглицерины (ТАГ), молекулы, которых содержат одинаковые
остатки жирных кислот, называются простыми, в противном случае —
смешанными. Природные жиры и масла содержат, главным образом,
смешанные
триацилглицерины.
Чистые
ацилглицерины
—
бесцветные
вещества без вкуса и запаха.
Окраска, запах, и вкус природных жиров определяются наличием в них
специфических примесей, характерных для каждого вида жира. Температуры
плавления и застывания ацилглицеринов не совпадают, что обусловлено
наличием
нескольких кристаллических модификаций.
По современным
представлениям, молекулы триацилглицеринов в кристаллах в зависимости от
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ориентации кислотных групп могут иметь форму вилки 1, кресла 2, стержня 3
(рисунок 19).
Рисунок 19 – Возможные конфигурации и
характер упаковки молекул триацилглицеринов в кристаллах
Температура
плавления
триацилглицеринов,
содержащих
остатки
трансненасыщенных кислот, выше, чем у ацилглицеринов, содержащих остатки
цисненасыщенных кислот с тем же числом атомов углерода. Каждое масло
характеризуется специфическим коэффициентом преломления (тем больше,
чем выше ненасыщенность жирных кислот, входящих в его состав, и
молекулярная масса).
Смеси
растворы
индивидуальных
(то
есть
ацилглицеринов
смешанные
кристаллы),
либо
образуют
либо
дают
твердые
«эвтектики»
(механические смеси кристаллов). Эвтектическая смесь имеет температуру
плавления более низкую, чем исходные компоненты по отдельности.
Разница в температурах плавления глицеридов разного состава лежит в
основе демаргаринизации — выделения из смеси наиболее высокоплавкой
фракции
глицеридов
(получение
хлопкового
пальмитина,
пальмового
стеарина). Плотность триацилглицеринов 900 – 960 кг/м3 (при 15 °С); она
уменьшается с ростом длины цепи жирно-кислотных остатков и возрастает с
увеличением числа изолированных двойных связей.
В организме человека липиды играют важную роль в процессах
метаболизма. В лимфе и кровяном русле триацилглицеролы входят в состав
липопротеиновых комплексов, доставляя и распределяя по всем тканям высшие
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
жирные кислоты, которые наряду с глюкозой являются важнейшим источником
энергии.
Воски. Другой важной группой простых липидов являются воски.
Восками называют сложные эфиры высших одноосновных карбоновых кислот
(C°18—С°30)
и
одноатомных
(содержащих
одну
группу
ОН)
высокомолекулярных (с 18—30 атомами углерода) спиртов.
Структура восков: R, R’ – углеводородные радикалы
Воски широко распространены в природе. В растениях они покрывают
тонким слоем листья, стебли, плоды, предохраняя их от смачивания водой,
высыхания, действия микроорганизмов. Содержание восков в зерне и плодах
невелико. В оболочках семян подсолнечника содержится до 0,2 % восков от
массы оболочки, в семенах сои — 0,01 %, риса — 0,05 %.
Воска выполняют в организме преимущественно защитную функцию,
которая сводится к образованию защитных покрытий. Воски — важный
компонент воскового налета виноградной ягоды — прюина. Воска входят в
состав жира, покрывающего кожу, шерсть, перья.
Гликолипиды.
Гликолипиды
растительных масел и жиров.
входят
в
состав
простых
липидов
Гликолипидами называется большая и
разнообразная по строению группа нейтральных липидов, в состав которых
входят остатки моноз. Они широко (обычно в небольших количествах)
содержатся в растениях (липиды пшеницы, овса, кукурузы, подсолнечника),
животных и микроорганизмах. Гликолипиды выполняют структурные функции,
участвуют
в
построении
мембран,
им
принадлежит
важная
роль
в
формировании клейковинных белков пшеницы, определяющих хлебопекарное
достоинство муки. Чаще всего в построении молекул гликолипидов участвуют
D-галактоза, D-глюкоза, D-манноза.
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сложные липиды
Фосфолипиды.
Важнейшими
представителями
сложных
липидов
являются фосфолипиды. Молекулы фосфолипидов построены из остатков
спиртов (глицерина, сфингозина), жирных кислот, фосфорной кислоты (Н3Р04),
а также содержат азотистые основания (чаще всего холин [НО-СН2-СН2(CH3)3N]+OH или этаноламин HO-CH2-CH2-NH2), остатки аминокислот и
некоторых других соединений. Общие формулы фосфолипидов содержащих
остатки глицерина и сфингозина имеет следующий вид (рисунок 20). Схема
вероятной структуры фосфолипидов показана на рисунке 21.
Рисунок 20 – Формулы фосфолипидов: R, R’ – углеводородные радикалы
Рисунок 21 – Схема вероятной структуры фосфолипидов
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В молекуле фосфолипидов имеются
заместители
двух
гидрофильные
и
(рисунок
22).
гидрофильных
группировок
типов:
гидрофобные
В
качестве
(полярных)
выступают
остатки
фосфорной кислоты и азотистого
основания
(«голова»),
а
гидрофобных
(неполярных)
–
углеводородные
радикалы
(«хвосты»).
Рисунок 22 - Пространственная
структура фосфолипидов
Фосфолипиды (фосфатиды) – обязательные компоненты растений. Ниже
приведено содержание фосфолипидов в различных культурах, в процентах:
Соя ...................................................................... 1,8
Хлопчатник.................... ……………………….1,7
Подсолнечник..................................................... 1,7
Клещевина...........................................................0,3
Лен .......................................................................0,6
Пшеница ............................................................0,54
Рожь ...................................................................0,6
Кукуруза.............................................................0,9
Состав жирных кислот фосфолипидов и ацилглицеринов, выделенных из
одного и того же сырья, неидентичен. Так, в высокоэруковых сортах рапсового
масла содержится около 60 % эруковой кислоты, в фосфолипидах – от 11 % до
12 %. Подавляющее большинство фосфолипидов имеет в своем составе остатки
одной насыщенной (обычно в положении 1) и одной ненасыщенной (в
положении 2) кислоты.
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Фосфолипиды играют важную роль в организме человека. Входя в состав
клеточных оболочек, они имеют существенное значение для их проницаемости
и обмена веществ между клетками и внутриклеточным пространством.
Фосфолипиды пищевых продуктов различаются по химическому составу и
биологическому действию. В пищевых продуктах в основном встречаются
лецитин, в состав которого входит холин, а также кефалин, в состав которого
входит этаноламин. Лецитин участвует в регулировании холестеринового
обмена,
в
отличии
от
свойств
которые
предлагают
фосфолипиды,
предотвращает накопление холестерина в организме, способствует выведению
его из организма (проявляет так называемое липотропное действие). Общая
потребность в фосфолипидах составляет около 5 г в день.
Больше всего фосфолипидов в яйце (3,4 %),относительно много их в
зерне, бобовых (от 0,3 % – до 0,9 %), нерафинированных растительных маслах
(от 1% – до 2 %). При хранении нерафинированного масла фосфолипиды
выпадают в осадок. При рафинировании растительных масел содержание
фосфолипидов в них снижается от 0,1 %
до 0,2 %. Много фосфолипидов
содержится в сыром мясе (около 0,8 %), птице (от 0,5% до 2,5 %). Есть они в
сливочном масле (от 0,3 % до 0,4 %), рыбе (от 0,3 % до 2,4 %), хлебе (0,3 %),
картофеле (около 0,3 % в сумме с гликолипидами). В большинстве овощей и
фруктов содержится меньше 0,1 % фосфолипидов.
Стероиды.
Стероиды
циклопентанпергидрофенантрена,
являются
содержащего
производными
три
нелинейно
конденсированных насыщенных циклогексановых и одно циклопентановое
кольцо (рисунок 23).
Рисунок 23 – Циклопентанпергидрофенантрен
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К стероидам относится большое количество биологически важных
соединений: стеролы (или стерины), витамины группы D, половые гормоны,
гормоны коры надпочечников, зоо- и фитоэкдистероидные гормоны, сердечные
гликозиды, растительные сапонины и алкалоиды, некоторые яды.
Различают зоостерины (из животных: зоостерол), фитостерины (из
растений: стигмастерол), микостерины (из грибов: эргостерол) и стерины
микроорганизмов.
Наиболее известный среди стеролов – холестерол, содержащийся почти
во
всех
тканях
организма.
Особенно
много
его
в
центральной
и
периферической нервной системе, подкожном жире, почках и др. холестерол
является одним из главных компонентов цитоплазматической мембраны, а
также липопротеинов плазмы крови.
Фитостеролы (растительные стеролы) – широкий класс растительных
веществ (около 100 соединений), структурно чрезвычайно близких животному
продукту – холестерину. Фитостеролы – натуральные компоненты мембран
клеток растений. Они были открыты в 1922 г. Важнейшими фитостеролами
являются бетаситостерол, кампестерол, стигмастерол.
Больше всего фитостеролов содержится в растительных маслах, семенах,
орехах. Основные источники: орехи и масла из них, подсолнечное и кукурузное
масла, масло зародышей пшеницы, капуста брокколи, брюссельская и цветная
капуста, оливки, яблоки, соя.
Фитостеролы в растениях выполняют в мембранах клеток те же функции,
что холестерин в клетках животных. Благодаря подобию своей структуры
холестерину, фитостеролы легко присоединяются и блокируют рецепторы,
снижая тем самым абсорбцию холестерина и улучшая его выведение из
организма. Попав в кишечник человека, фитостеролы мешают усвоению
экзогенного холестерина, поступившего с пищей, и эндогенного холестерина,
попавшего в кишечник с желчью. Следовательно, при употреблении
фитостеролов понижается концентрация общего холестерина и липопротеинов
малой плотности (плохого холестерина) в крови, а регулярное употребление
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пищи,
богатой
фитостеролами,
может
остановить
атеросклеротический
процесс.
Функции основных классов липидов в организме человека
К основным биологическим функциям липидов относят следующие:
- энергетическая – при окислении липидов в организме выделяется
энергия (при окислении 1 г липидов выделяется 39,1 кДж);
- структурная – входят в состав различных биологических мембран;
- транспортная – участвуют в транспорте веществ через липидный слой
биомембраны;
- механическая – липиды соединительной ткани, окружающей внутренние
органы, и подкожного жирового слоя предохраняют органы от повреждений
при внешних механических воздействиях;
- теплоизолирующая – благодаря своей низкой теплопроводности
сохраняют тепло в организме.
В таблице 12 перечислены функции основных классов липидов: жиров
(триацилглицеринов),
глицерофосфолипидов,
сфингофосфолипидов,
гликолипидов, стероидов – в организме человека.
Таблица 12 – Функции основных классов липидов в организме человека
Класс липидов
Функции
Преимущественная
локализация в организме
Триацилглицерины
(жиры)
Запасание энергии; термоизоляция;
механическая защитная функция
Клетки жировой ткани
Глицерофосфолипиды
Структурные компоненты мембран
Сфингофосфолипиды
Основные структурные компоненты
мембран клеток нервной ткани
Гликолипиды
Стероиды
Компоненты мембран нервной ткани;
антигенные структуры на поверхности
разного типа; рецепторы; структуры,
обеспечивающие взаимодействие клеток
Компоненты мембран; предшественники
в синтезе желчных кислот и стероидных
гормонов
Мембраны клеток;
монослой на поверхности
липопротеинов
Миеленовые оболочки
нейронов; серое вещество
мозга
Внешний слой клеточных
мембран
Мембраны клеток;
липопротеины крови
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.2 Роль липидов в питании человека
Растительные жиры и масла являются обязательным компонентом пищи,
источником энергетического и пластического материала для человека,
поставщиком ряда необходимых для него веществ (непредельных жирных
кислот, фосфолипидов, жирорастворимых витаминов, стеринов), то есть они
являются
незаменимыми
факторами
питания,
определяющими
его
биологическую эффективность. Рекомендуемое содержание жира в рационе
человека (по калорийности) составляет от 30 % до 33 %; для населения южных
зон нашей страны рекомендуется от 27 % до 28 %, северных - от 38 % до 40 %
или от 90 г до 107 г в сутки, в том числе непосредственно в виде жиров от 45 г
до 50 г.
Длительное
ограничение
жиров
в
питании или систематическое
использование жиров с пониженным содержанием необходимых компонентов,
в том числе сливочного масла, приводит к отклонениям в физиологическом
состоянии организма: нарушается деятельность центральной нервной системы,
снижается устойчивость организма к инфекциям (иммунитет), сокращается
продолжительность жизни. Но и избыточное потребление жиров нежелательно,
оно
приводит
к
ожирению,
сердечнососудистым
заболеваниям,
преждевременному старению.
В составе пищевых продуктов различают видимые жиры (растительные
масла, животные жиры, сливочное масло, маргарин, кулинарный жир) и
невидимые жиры (жир в мясе и мясопродуктах, рыбе, молоке и молочных
продуктах, крупе, хлебобулочных и кондитерских изделиях). Это, конечно,
условное деление, но оно широко применяется.
Наиболее важные источники жиров в питании — растительные масла (в
рафинированных маслах от 99,7 % до 99,8 % жира), сливочное масло (от 61,5
% до 82,5 % липидов), маргарин (до 82,0 % жира), комбинированные жиры (от
50 % до 72 % жира), кулинарные жиры (99 % жира), молочные продукты (от
3,5 % до 30 % жира), некоторые виды кондитерских изделий — шоколад (от 35
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
% до 40 %), отдельные сорта конфет (до 35 %), печенье (от 10 % до 11 %);
крупы — гречневая (3,3 %), овсяная (6,1 %); сыры (от 25 % до 50 %), продукты
из свинины, колбасные изделия (от 10 % до 23 % жира). Часть этих продуктов
является источником растительных масел (растительные масла, крупы), другие
— животных жиров.
В питании имеет значение не только количество, но и химический состав
употребляемых жиров, особенно содержание полиненасыщенных кислот с
определенным положением двойных связей и цис-конфигурацией (рисунок 24)
(линолевой
С218;
альфа-
и
гамма-линоленовой
С318;
С118;
олеиновой
арахидоновой С420; полиненасыщенных жирных кислот с 5—6 двойными
связями семейства омега-3).
Рисунок 24 – Жиры, содержащие полиненасыщенные кислоты с
определенным положением двойных связей и цис-конфигурацией
Линолевая и линоленовая кислоты не синтезируются в организме
человека, арахидоновая — синтезируется из линолевой кислоты при участии
витамина
В6.
Поэтому
«эссенциальных»
они
кислот.
получили
Линоленовая
название
кислота
«незаменимых»
образует
или
другие
полиненасыщенные жирные кислоты. В состав полиненасыщенных жирных
кислот
семейства
омега-3
входят:
а-линоленовая,
эйкозапентаеновая,
докозагексаеновая кислоты. Линолевая, у-линоленовая, арахидоновая кислоты
входят в семейство омега-6. Рекомендуемое Институтом питания РАМ Н
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
соотношение омега 6/омега 3 в рационе составляет для здорового человека 10 :
1, для лечебного питания — от 3 : 1 до 5 : 1.
Более 50 лет назад была доказана необходимость присутствия ряда этих
структурных компонентов липидов для нормального функционирования и
развития человеческого организма. Они участвуют в построении клеточных
мембран, в синтезе простагландинов (сложные органические соединения),
участвуют в регулировании обмена веществ в клетках, кровяного давления,
агрегации тромбоцитов, способствуют выведению из организма избыточного
количества холестерина, предупреждая и ослабляя атеросклероз, повышают
эластичность стенок кровеносных сосудов. Но эти функции выполняют только
цис-изомеры ненасыщенных кислот. При отсутствии «эссенциальных» кислот
прекращается
рост
организма,
и
возникают
тяжелые
заболевания.
Биологическая активность указанных кислот неодинакова. Наибольшей
активностью
обладает
арахидоновая
кислота,
высокой
—
линолевая,
активность линоленовой кислоты значительно (в 8-10 раз) ниже линолевой.
В последнее время особое внимание привлекают ненасыщенные жирные
кислоты семейства омега-3, присутствующие в липидах рыб.
Среди
продуктов
питания
наиболее
богаты
полиненасыщенными
кислотами растительные масла, особенно кукурузное, подсолнечное, соевое.
Содержание в них линолевой кислоты достигает от 50 % до 60 %, значительно
меньше ее в маргарине — до 20 %, крайне мало в животных жирах (в говяжьем
жире — 0,6 %). Арахидоновая кислота в продуктах питания содержится в
незначительном количестве, а в растительных маслах ее практически нет. В
наибольшем количестве арахидоновая кислота содержится в яйцах — 0,5,
субпродуктах от 0,2 % до 0,3 %, мозгах — 0,5 %.
В настоящее время считают, что суточная потребность в линолевой
кислоте должна составлять от 6 г до 10 г, минимальная — от 2 г до 6 г, а ее
суммарное содержание в жирах пищевого рациона — не менее 4 % от общей
калорийности. Следовательно, состав жирных кислот липидов в пищевых
продуктах, предназначенных для питания молодого, здорового организма,
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
должен быть сбалансированным: от 10 % до 20 % — полиненасыщенных, от 50
% до 60 % — мононенасыщенных и 30 % насыщенных, часть из которых
должна быть со средней длиной цепи (таблица 13). Это обеспечивается при
использовании в рационе 1/3 растительных и 2/3 животных жиров. Для людей
пожилого
возраста
и
больных
сердечно-сосудистыми
заболеваниями
содержание линолевой кислоты должно составлять около 40 %, соотношение
полиненасыщенных и насыщенных кислот — приближаться к 2: 1,
соотношение линолевой и линоленовой кислот —10 : 1 (Институт питания
РАМН)
Таблица 13 – Содержание жирных кислот и характеристики
масел и жиров, в процентах
Жиры и масла
Соевое
Хлопковое
Подсолнечное
Рапсовое
Оливковое
Кокосовое
Пальмовое
Пальмоядровое
Масло какао
Льняное
Говяжий
Бараний
Свиной
Китовый
Содержание и состав жирных кислот
насыщенных
ненасыщенных
основных
Масла
14 – 20
75 – 86
С218 46 – 65
22 – 30
75 – 76
С218 45 – 56
10 – 12
до 90
С218 46 – 70
С118 6 – 44
2–6
94 – 98
Эруковая 1 – 52
9 – 18
82 – 91
С118 70 – 82
С012 44 – 52
До 90
10
С014 13 – 18
С016 39 – 47
44 – 57
43 – 56
С218 45 – 50
79 – 83
17 – 21
С016 10 – 19
С118 23 – 25
58 – 60
40 – 42
С016 31 – 34
6–9
91 – 94
С318 41 – 60
Животные жиры
С118 24 – 29
45 – 60
43 – 52
43 – 44
0
С 18 25 – 31
52 – 62
38—48
С118 36 – 42
С118 25 – 32
33 – 49
48—64
34 – 44
10 – 22
48—90
—
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Способность жирных кислот, входящих в состав липидов, наиболее полно
обеспечивать
синтез
структурных
компонентов
клеточных
мембран
характеризуют с помощью специального коэффициента (Институт питания
РАМН), отражающего соотношение количества арахидоновой кислоты, которая
является главным представителем полиненасыщенных жирных кислот в
мембранных липидах, к сумме всех других полиненасыщенных жирных кислот
с 20 и 22 атомами углерода. Этот коэффициент получил название
коэффициента эффективности метаболизации эссенциальных жирных кислот
(КЭМ):
По современным представлениям наиболее целесообразно использовать в
каждый отдельный прием пищи жиры, имеющие сбалансированный состав, а не
потреблять жировые продукты различного состава в течение суток.
Важной
в
питании
группой
липидов
являются
фосфолипиды,
участвующие в построении клеточных мембран и транспорте жира в организме,
они способствуют лучшему усвоению жиров и препятствуют ожирению
печени. Общая потребность человека в фосфолипидах до 5—10 г в сутки.
Как
известно,
при
повышении
холестерина
в
крови
опасность
возникновения и развития атеросклероза возрастает; 80 % холестерина
содержится в яйцах (0,57 %), сливочном масле (от 0,2 % до 0,3 %),
субпродуктах (от 0,2 % до 0,3 %).
Суточное его потребление с пищей не должно превышать 0,5 г.
Растительные жиры — единственный источник витамина Е и в-каротина,
животные жиры — витаминов А и D.
5.3 Биологические мембраны
Биологические мембраны, тонкие пограничные структуры молекулярных
размеров, расположенные на поверхности клеток и субклеточных частиц, а
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
также канальцев и пузырьков, пронизывающих протоплазму (рисунок 25).
Важнейшая функция биологических мембран — регулирование транспорта
ионов, сахаров, аминокислот и других продуктов обмена веществ.
Рисунок 25 - Биологические мембраны
Биологические
сложные
мембраны
(от
высокоорганизованные
лат.
membrana-кожица,
надмолекулярные
перепонка),
структуры,
ограничивающие клетки (клеточные, или плазматические, мембраны) и
внутриклеточные органоиды - митохондрии, хлоропласты, лизосомы и др.
Представляют собой пленки толщиной 5-10 нм, состоящие главным образом из
белков и липидов. Отношение липиды: белки (по массе) колеблется от 4:1
(мембрана миелина) до 1:3 (внутренняя мембрана митохондрий). Мембраны
биологические содержат также углеводы (до 10 % от сухого вещества по
массе), которые, как правило, входят в состав гликопротеинов и гликолипидов.
В некоторых специализированных мембранах биологических в заметных
количествах могут присутствовать также хиноны (например, убихиноны),
каротиноиды, ретиноиды (ретинол, ретиналь и др.), токоферолы, долихолы
(содержат 16-20 пренильных остатков, из которых концевой, несущий группу
ОН, полностью насыщен) и порфирины. Около 20 % всей массы мембраны
составляет прочно связанная вода. С мембранами связываются также катионы,
преим. Са2+ и Mg2+, входящие в хелатные комплексы. Важнейшая функция
мембран биологических - регуляция обмена веществ между клеткой и средой, а
также между различными отсеками (компартментами) внутри самой клетки.
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Липиды мембран
Рисунок 26 – Липиды мембран
Основные
липидные
компоненты
мембран
биологических
-
фосфолипиды, гликолипиды и стерины (рисунок 26). Каждая группа этих
липидов представлена большим числом разнообразных соединений. Так, в
мембране
эритроцитов
человека
содержится
не
менее
20
различных
представителей основного фосфолипида этой мембраны - фосфатидилхолина; в
целом же в мембране эритроцитов идентифицировано около 200 различных
липидов. В клетках млекопитающих плазматические мембраны обогащены
холестерином и гликосфииголипидами, тогда как мембраны органоидов
содержат эти липиды в малых количествах. Наиболее распространенные
липиды, имеющие цвиттер-ионную структуру, в большинстве мембран клеток
млекопитающих-фосфатидилхолин и сфингомиелин (в митохондриальных
мембранах - фосфатидилэтаноламин). Дифосфатидилглицерин в значительных
количествах присутствует только в мембранах митохондрий (в основной в их
внутренней
мембране).
В
плазматических
мембранах
содержание
фосфатидилсерина обычно больше, чем фосфатидилинозита (фосфоинозитида),
для внутриклеточных мембран характерно обратное соотношение. В мембранах
миелина широко представлены цереброзиды. Другие плазматические мембраны
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
содержат, как правило, более сложные гликолипиды, такие, например, как
ганглиозиды. Мембраны клеток высших растений и дрожжей по липидному
составу во многом
сходны с
соответствующими
мембранами
клеток
млекопитающих. Однако в них совсем нет сфингомиелина, а фосфатидилсерин
присутствует лишь в следовых количествах. Главные стерины мембран
растительных клеток - ситостерин и стигмастерин, мембран грибов и дрожжей эргостерин и зимостерин. Мембраны хлоропластов фотосинтезирующих
растений и синезеленых водорослей близки по своему липидному составу и
содержат
моно-и
дигалактозилдиацилглицерины,
6-сульфохиновозилдиа-
цилглицерин и фосфатидилглицерин. Мембраны бактерий, как правило, имеют
более простой липидный состав, чем мембраны растительных и животных
клеток. Все бактерии, за исключением микоплазм, не содержат стеринов.
Фосфолипиды мембран грамположительных бактерий представлены главным
образом фосфатидилглицерином и его аминоациальными производными, а
также дифосфатидилглицерином. В небольшом количестве в этих мембранах
нередко
встречается
микроорганизмов
в
фосфатидилинозит.
составе
мембранных
У
грамотрицательных
фосфолипидов
преобладает
Фосфатидилэтаноламин. Фосфатидилхолин в бактериальных мембранах либо
совсем не содержится, либо присутствует в малых количествах. Содержание
фосфатидилсерина в этих мембранах обычно также незначительно. Широко
представлены
в
бактериальных
мембранах
различные
гликозил-
диацилглицерины Основные компоненты мембран оболочечных вирусов (вирус
гриппа, лейковирусы, вирус стоматита), как и плазматических мембран клеток
животных, -фосфатидилхолин, сфингомие-лин, фосфатидилэтаноламин и
холестерин. Липидный состав клеточных мембран изменчив. В меньшей
степени это проявляется в животных клетках, находящихся в условиях
стабильной внутренней среды. Однако и в этом случае можно модифицировать
состав липидов в некоторых мембранах, меняя пищевой рацион. Липидный
состав мембран растений заметно изменяется в зависимости от освещенности,
температуры и рН. Еще более изменчив состав бактериальных мембран. Он
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
варьирует не только в зависимости от штамма, но и в пределах одного и того
же штамма, а также от условий культивирования и фазы роста. У вирусов,
имеющих липопротеиновую оболочку, липидный состав мембран также не
постоянен и определяется составом липидов клетки-хозяина. Липиды основной строительный материал, из которого формируются клеточные
мембраны. Сложность, многообразие и изменчивость липидного состава
мембран позволяет предположить, что они участвуют также в регуляции
важнейших мембранных процессов.
124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6 Витамины. Классификация, общая характеристика,
биохимические функции водо- и жирорастворимых витаминов
Ко второй половине 19 века было выяснено, что пищевая ценность
продуктов питания определяется содержанием в них в основном следующих
веществ: белков, жиров, углеводов, минеральных солей и воды.
Считалось общепризнанным, что
если в пищу человека входят в
определенных количествах все эти питательные вещества, то она полностью
отвечает биологическим потребностям организма. Это мнение прочно
укоренилось в науке и поддерживалось такими авторитетными физиологами
того времени, как Петтенкофер, Фойт и Рубнер.
Однако
практика
далеко
не
всегда
подтверждала
правильность
укоренившихся представлений о биологической полноценности пищи.
Практический опыт врачей и клинические наблюдения издавна
несомненностью
указывали
на
с
существование ряда специфических
заболеваний, непосредственно связанных с дефектами питания, хотя последнее
полностью отвечало указанным выше требованиям. Об этом свидетельствовал
также многовековой практический опыт участников длительных путешествий.
Настоящим бичом для мореплавателей долгое время была цинга; от нее
погибало
моря
ков
больше,
чем,
например,
в
сражениях
или
от
кораблекрушений. Так, из 160 участников известной экспедиции Васко да Гама
прокладывавшей морской путь в Индию,100 человек погибли от цинги.
История морских
и сухопутных путешествий давала также ряд
поучительных примеров, указывавших на то, что возникновение цинги может
быть предотвращено, а цинготные больные могут быть вылечены, если в их
пищу вводить известное количество лимонного сока или отвара хвои.
Таким образом, практический опыт ясно указывал на то, что цинга и
некоторые другие болезни связанны с дефектами питания, что даже самая
обильная пища сама по себе еще далеко не всегда гарантирует от подобных
заболеваний и что для предупреждения и лечения
таких
заболеваний
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
необходимо вводить в организм какие-то дополнительные вещества, которые
содержатся не во всякой пище.
6.1 История открытия витаминов
Экспериментальное обоснование и научно-теоретическое обобщение
этого многовекового практического опыта впервые стали возможны благодаря
открывшем новую главу в науке исследованием русского ученого Николая
Ивановича Лунина, изучавшего в лаборатории Г.А. Бунге роль минеральных
веществ в питании.
Н.И.Лунин проводил свои опыты на мышах, содержавшихся
на
искусственно приготовленной пище. Эта пища состояла из смеси очищенного
казеина (белок молока), жира молока, молочного сахара, солей, входящих в
состав молока и воды. Казалось, налицо были все необходимые составные
части молока; между тем мыши, находившееся на такой диете, не росли, теряли
в весе, переставали поедать даваемый им корм и, наконец, погибали. В то же
время контрольная партия мышей, получившая натуральное
молоко,
развивалась совершенно нормально. На основании этих работ Н.И.Лунин в
1880 г.
пришел к следующему заключению: «...если, как вышеупомянутые
опыты учат, невозможно обеспечить жизнь белками, жирами, сахаром, солями
и водой, то из этого следует, что в молоке, помимо казеина, жира, молочного
сахара и солей, содержатся еще другие вещества, незаменимые для питания.
Представляет большой интерес исследовать эти вещества и изучить их
значение для питания».
Это было важное научное открытие, опровергавшее установившееся
положения
в
науке
о питании. Результаты работ Н.И.Лунина стали
оспариваться; их пытались объяснить, например, тем, что
искусственно
приготовленная пища, которой он в своих опытах кормил животных, была
якобы невкусной.
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В 1890 г. К.А.Сосин повторил опыты Н.И.Лунина с иным вариантом
искусственной диеты и полностью подтвердил выводы Н.И.Лунина. Все же и
после этого безупречный вывод не сразу получил всеобщее признание.
Блестящим
подтверждением
правильности
вывода
Н.И.Лунина
установлением причины болезни бери-бери, которая была особенно широко
распространена в Японии и Индонезии
среди
населения, питавшегося,
главным образом, полированным рисом.
Врач Эйкман, работавший в тюремном госпитале на острове Ява, в 1896
году подметил, что куры, содержавшиеся во дворе госпиталя и питавшиеся
обычным полированным рисом, страдали заболеванием, напоминающим берибери, после перевода кур на питание неочищенным рисом болезнь проходила.
Наблюдения Эйкмана, проведенные на большом числе заключенных в
тюрьмах Явы, также показали, что среди людей, питавшихся очищенным
рисом, бери-бери заболевал в среднем один человек из 40, тогда как в группе
людей, питавшихся неочищенным рисом, ею заболевал лишь один человек из
10000.
Таким образом, стало ясно, что в оболочке риса (рисовых отрубях)
содержится какое-то неизвестное вещество, предохраняющее от заболевания
бери-бери. В 1911 году польский ученый Казимир Функ выделил это вещество
в кристаллическом виде (оказавшееся, как потом выяснилось, смесью
витаминов); оно
было довольно устойчивым по отношению к кислотам и
выдерживало, например, кипячение с 20 %-ным раствором серной кислоты. В
щелочных растворах активное начало, напротив, очень быстро разрушалось.
По своим химическим свойствам это вещество принадлежало к органическим
соединениям и содержало аминогруппу. Функ пришел к заключению, что
бери-бери является только одной из болезней, вызываемых
отсутствием
каких-то особых веществ в пище.
Несмотря на то, что эти особые вещества присутствуют в пище, как
подчеркнул ещё Н.И.Лунин, в малых количествах, они являются жизненно
необходимыми. Так как первое вещество этой группы жизненно необходимых
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
соединений содержало аминогруппу и обладало некоторыми свойствами
аминов, Функ (1912) предложил назвать
весь
этот
класс
веществ -
витаминами (лат, vitamin-амин жизни). Впоследствии, однако, оказалось, что
многие вещества этого класса не содержат аминогруппы. Тем не менее, термин
«витамины» настолько прочно вошел в обиход, что менять его не имело уже
смысла.
После выделения из пищевых продуктов вещества, предохраняющего от
заболевания бери-бери, был открыт ряд других витаминов. Большое значение в
развитии учения о витаминах имели работы Гопкинса, Степпа, Мак Коллума,
Мелэнби и многих других учёных.
В настоящее
время известно около 20 различных витаминов.
Установлена и их химическая структура; это дало возможность организовать
промышленное
производство
витаминов не только путём переработки
продуктов, в которых они содержаться в готовом виде, но и искусственно,
путём их химического синтеза.
6.2 Классификация витаминов
В
настоящее
время
витамины
можно
охарактеризовать
как
низкомолекулярные органические соединения, которые, являясь необходимой
составной частью
пищи, присутствуют
в
ней
в
чрезвычайно малых
количествах по сравнению с основными её компонентами.
Витамины - необходимый элемент пищи для человека и ряда живых
организмов потому, что они не синтезируются или некоторые из них
синтезируются в недостаточном количестве данным организмом. Витамины это
вещества,
обеспечивающее
нормальное
течение
биохимических и
физиологических процессов в организме. Они могут быть отнесены к группе
биологически активных соединений, оказывающих своё действие на
веществ в ничтожных концентрациях.
128
обмен
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Витамины делят на две большие группы:
1) витамины, растворимые в жирах:

витамин A (антиксерофталический);

витамин D (антирахитический);

витамин E (витамин размножения);

витамин K (антигеморрагический).
2) витамины, растворимые в воде:

витамин В1 (антиневритный);

витамин В2 (рибофлавин);

витамин PP (антипеллагрический);

витамин В6 (антидермитный);

пантотен (антидерматитный фактор);

биотин
(витамин Н, фактор роста для грибков, дрожжей и бактерий,
антисеборейный);

инозит. Парааминобензойная кислота (фактор роста бактерий и фактор
пигментации);

фолиевая кислота (антианемический витамин, витамин роста для цыплят
и бактерий);

витамин В12 (антианемический витамин);

витамин В15 (пангамовая кислота);

витамин С (антискорбутный);
витамин Р (витамин проницаемости).
Многие относят также к числу витаминов холин и непредельные жирные
кислоты с двумя и большим числом двойных связей. Все вышеперечисленные
растворимые в воде витамины, за исключением инозита и витаминов С и Р,
содержат азот в своей молекуле, и их часто объединяют в один комплекс
витаминов группы В.
Каждая
из
этих групп содержит большое количество различных
витаминов, которые обычно обозначают буквами
латинского
алфавита.
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Следует
обратить внимание, что порядок этих букв не соответствует их
обычному расположению в алфавите и не
вполне отвечает исторической
последовательности открытия витаминов.
6.3 Витамины, растворимые в воде
Витамин В2 (riboflavin)
Этот витамин образует важную часть
OH
OH
OH
OH
H3C
N
N
O
витаминного В-комплекса, так как он приводит в
движение углеводород из жиров. Этот важный
витамин находится в молочных продуктах, мясе,
NH
H3C
N
O
рыбе, домашней птице, салатах и в продуктах,
содержащих ячмень рожь.
Признаки нехватки витамина В2: красный воспаленный язык, чувство
песка в глазах, расширенные зрачки, сморщенные губы, жирная кожа,
выпадение волос, облысение, чувство головокружения, плохая концентрация,
плохой сон. Когда бутылка с молоком стоит в течении 3,5 часов на свету или на
солнце, в ней исчезает до 70 % молекул витамина В2. Витамин В2 неустанно
доставляет энергию к клеткам. При регулярном занятии спортом или тяжелой
работе используется большое количество рибофлавина. Особенно много
витамина В2 в печени, ливерной колбасе, грибах, фарше, селедке, яйце,
миндальном орехе, сыре.
Для чего необходим витамин В2: углеводный обмен, обмен жиров,
усвояемость белков, дыхание клеток, острота зрения, дополнительный вес,
рост, ногти, энергия клеток, кожа, волосы.
Витамин РР (ниацин, никотиновая кислота)
Никотиновая кислота
Амид никотиновой кислоты
O
O
OH
130
N
NH 2
N
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ниацин входит в состав ферментов, участвующих в клеточном дыхании
и обмене белков, регулирующих высшую нервную деятельность и функции
органов пищеварения. Используется для профилактики и лечения пеллагры,
заболеваний желудочно-кишечного тракта, вяло заживающих ран и язв,
атеросклероза.
При передозировке или при повышенной чувствительности могут
возникать покраснение лица и верхней половины туловища, головокружение,
чувство прилива к голове, крапивница. При быстром внутривенном введении
возможно
сильное
понижение
артериального
давления.
Основными
источниками витамина РР служат мясо, печень, почки, яйца, молоко.
Содержится витамин PP также в хлебных изделиях из муки грубого
помола, в крупах (особенно гречневой), бобовых, присутствует в грибах.
Суточная потребность в витамине РР взрослого человека составляет от 14 мг до
18 мг; беременных и кормящих – от 19 мг до 21 мг; детей первого года жизни –
от 5 мг до 7 мг. Витамин РР может синтезироваться в организме человека из
незаменимой аминокислоты триптофана, входящей в состав белков.
Витамин РР относительно устойчив к тепловой обработке. Необходимо
учитывать, что в зерновых продуктах, особенно в кукурузе, большая часть
ниацина находится в связанной форме (ниацитин), эта часть витамина
становится доступной только после интенсивной тепловой обработки. В
бобовых и продуктах животного происхождения связанная форма отсутствует.
Витамин В6 (пиридоксин) - незаменимый витамин
Витамин В6 нужен для нормальной деятельности
OH
мозга. На людей с повышенной нервной возбудимостью,
HO
OH
H3 C
N
витамин
средство.
B6
обычно
действует
как
успокоительное
Головная боль не редко прекращается при
полноценном питании и приеме витамина B6. Он способствует правильному
усвоению белка и жира. Действует, как натуральное мочегонное средство.
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Признаки дефицита: головные боли, нервные тики, дрожание, судороги,
мышечная слабость, геморрой, тошнота, отеки и болезненный зуд вокруг
гениталий.
Витамин В6 нужен для поддержания нормального уровня магния в крови
и они действуют совместно. При судорожных расстройствах, нервных тиках,
головных болях, нервной возбудимости, улучшения наступают быстрее, если
принимать витамин В6 и магний одновременно.
«Исследования, проводившиеся с участием тюремных заключенных,
показали, что исключение B6 из пищи, при том, что питание было
полноценным во всех других отношениях, проявляется уже через неделю. У
добровольцев
ухудшилось
самочувствие,
появились
головные
боли,
головокружение, дурной запах изо рта и стягивающие боли в животе. В области
гениталий появились зудящие высыпания, обострился геморрой, возникли
поносы. Все участники эксперимента отмечали появление перхоти на
волосистой части головы. Испытуемые не могли спать, хотя все время были
сонными, отмечалась раздражительность и нервозность, апатичность и
неспособность сосредоточиться. Когда им стали давать по 600 мг. витамина В6
в день, жалобы на нервозность и головные боли сохранялись еще в течении 4-6
недель.
В результате другого исследования, … так же обнаружилось, что дефицит
витамина В6 может вызывать депрессию и бессонницу, сильную слабость,
нервозность, изъявления в ротовой полости, на губах и языке, головокружения,
тошноту и рвоту». Адель Девис
Принимать более 500 мг витамина В6 в день не рекомендуется. Обычно
достаточно принимать 50 мг этого витамина в день.
Усвоение витамина В6 улучшается, если в питании содержится вся
группа витаминов В, а так же магний.
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Витамин С
Аскорбиновая кислота, участвует в окислительно-
HO
O
O
HO
восстановительных реакциях, его недостаток приводит к
цинге. У этого витамина в нашем организме две великие
HO
OH
задачи: стабилизировать психику, защитный иммунитет.
Витамин С – злейший враг всех болезней. С помощью витамина происходит
сокращение расширенных вен, геморроя, складки и помятости исчезают, кроме
того, укрепляются и делаются глаже все стенки сосудов в нашем организме.
Так как витамин С дает возможность стрессовым гормонам разбивать жиры,
это средство для похудания №1.Это витамин красоты.
При недостатке витамина С: кровоточат десна, расширение вен,
геморрой, слабые нервы, плохая концентрация, частые простуды, излишний
вес, усталость, депрессия, выпадение волос, складки, помятости, морщины,
плохой сон, слабое зрение.
Витамин С выполняет и чисто защитную функцию от болезней и, с
другой стороны, активно борется с бактериями в организме.
Как пополнить недостаток витамина С? Ежедневно 75 мг для детей и
взрослых. Каждая сигарета требует дополнительно 30 мг витамина С. Он
растворяется в воде и поэтому излишки выводятся из организма. Особенно
богаты витамином С плоды бузины, киви, апельсины, лимоны с мякотью, сок
лимонов.
Значение витамина С: кальциевый обмен, разбивает жировые клетки,
крепкий волос, здоровые нервы, снижает стрессовое состояние, улучшает
состояние кровеносных сосудов, крепкая гладкая кожа, острота зрения,
здоровый сон, улучшает голосовые связки.
Что разрушает витамин С? Алкоголь, свет и жиры, кислоты, никотин,
длительное хранение фруктов.
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Витамин Р
В 1936 г. биохимик Альберт Сент-Дьёрди из
OH
OH
HO
O
лимона
фармакологическое
уменьшало
O
OH
кожуры
O
OH
O
вещество,
применение
которого
ломкость
и
проницаемость
кровеносных капилляров. Оно получило название
витамин Р (от англ. permeability - проницаемость).
OH
OH
выделил
Это группа веществ (Флавоноиды), которая
OH
сейчас не обозначается как витамины, так как
организм не способен вырабатывать их сам. Витамин Р объединяет группу
биологически активных веществ, обладающих способностью нормализовать
проницаемость
капилляров,
способствовать
снижению
проницаемости
сосудистой стенки, повышая ее прочность.
Кроме
широко
известного
названия
«рутин»,
который
часто
ассоциируется с витамином Р, в эту группу, обладающую свойствами витамина
Р, входит около 150 биофлавоноидов: гесперидин, кумарины (эскулин),
антоцианы, катехины и другие. Иногда группу этих флавоноидов (из-за тесной
связи с витамином С) называют витамином С2.
Функционально витамин Р участвует вместе с витамином C в
окислительно-восстановительных процессах в организме. Витамин Р способен
частично снимать остроту авитаминоза С, уменьшая проницаемость и ломкость
капиллярных сосудов. Витамины Р предохраняют аскорбиновую кислоту и
адреналин от окисления.
Витамин P нормализует и поддерживает структуру, эластичность,
функцию
и
проницаемость
кровеносных
сосудов,
предупреждает
их
склеротическое поражение, способствует поддержанию нормального давления
крови, проявляет противовоспалительное и антиаллергическое действие,
способствует расширению сосудов, оказывает противоотечное и мягкое
спазмолитическое действие. Высказывается мнение, что витамин P может
мягко стимулировать функцию коры надпочечников и тем самым увеличивать
134
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
синтез глюкокортикоидов, оказывающих лечебно-профилактическое действие
при многих состояниях. Полагают, что витамин Р при дозах до 60 мг в сутки
(при приеме по крайней мере в течение четырех недель) способен снижать
уровень внутриглазного давления, что применяется с профилактической целью
и для вспомогательной терапии глаукомы.
В зависимости от структуры флавоноиды также оказывают антиязвенное,
гипоазотемическое,
противовоспалительное,
противоопухолевое,
радиопротекторное, желчегонное и другие действия на организм.
Содержится в лимонах и апельсинах (белая кожура и междольковая
часть), абрикосах, черной смородине, перце, гречке, капусте, салате,
помидорах, винограде, руте, шиповнике, малине, зеленых листьях чая и других
продуктах.
Витамин P содержат следующие экстракты соков: арония, черника,
рябина.
В промышленных объемах, для фармацевтической и пищевой индустрии
флавоноиды, а именно дигидрокверцетин, извлекаются из лиственницы
сибирской и лиственницы даурской.
Суточная потребность взрослого человека — от 25 мг до 50 мг.
Признаки нехватки:
 «пурпуровая болезнь»;
 геморрагический диатез;
 кровоизлияния в сетчатке глаза;
 боли в ногах при ходьбе, боли в плечах;
 быстрая утомляемость;
 спонтанные кровоизлияния;
 синюшный оттенок кожи;
 развитие угревой сыпи;
 выпадание волос;
 кровоточивость десен.
135
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При
дефиците
витамина
P
в
пище
повышается
проницаемость
капилляров, вследствие чего появляются кровоизлияния в коже, слизистых
оболочках и в подкожной клетчатке, особенно в местах, подверженных
физическим воздействиям, давлению. Такие кровоизлияния обычно носят
мелкий, точечный характер и называются петехиями. Это происходит из-за
того,
что
витамин
Р
тормозит
активность
фермента,
разрушающего
гиалуроновую кислоту, которая и укрепляет, цементирует клетки сосудов
между собой. Свои биологические свойства витамин P лучше проявляет в
присутствии витамина С.
В клинической практике витамин P применяют при геморрагических
диатезах,
язвенной
болезни
желудка
и
двенадцатиперстной
кишки,
гипертонической болезни, атеросклерозе, ревматизме и других патологических
состояниях.
Витамин В12 (Cobalamin). Этот восхитительный промежуточный
витамин необходим нам только в количестве 3 миллионных г в день, а за всю
жизнь столько, сколько весит одно зернышко. И все же этот витамин нужен как
воздух. Почти 92 % вегетарианцев испытывают недостаток в витамине В12, в
основном не зная этого. Этот недостаток, если он не будет вовремя распознан,
может привести к тяжелым нервным заболеваниям и к склерозу. При
недостатке витамина В12 проходит до шести лет, пока проявится заболевание.
При недостатке В12 проявляются: усталость, воспаление во рту, осложнение
менструального цикла, депрессия, дурной запах тела, заикание, затруднение
движения. Главная задача витамина В12 состоит в образовании метионина. Как
обеспечить необходимое количество витамина В12 в организме: детям
необходимо от 1 до 3 мг в день, взрослым от 2 до 4 мг, беременным и во время
климакса до 5 мг. Особенно богаты витамином В12: печень, куриная печень,
ливерная колбаса, устрицы, сельдь. Каждая форма моментального горя до
шизофрении, это не что иное как нарушение функции мозга и нервов. Сахар,
сладости, напитки нарушают кишечную флору и мешают усвояемости
витамина В12.
136
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Витамин В12 необходим для: голосовых связок, радости жизни,
оптимизма, мозговой и нервной системы, образование костей, обмена веществ,
переработке жира, позитивной реакции на стресс, духовной свежести,
энергетического обмена, образование красных кровяных телец.
Витамин В1 (Thiamin). Витамин В1 находится в ростках пшеницы, в
хлебе из ржи, в отрубях, в пивных дрожжах и натуральном рисе. В кишечнике
витамин В1 очень быстро усваивается и тут же транспортируется к печени. Так
как многие дети предпочитают белый хлеб черному, лапшу – картофелю, не
нужно удивляться, если они в школе не успевают, потому что из-за этой пищи
они не получают достаточно витамина В1.
Кто находится в стрессовом состоянии, пьет много кофе и чая, у того
часто расстройство желудка или температура. В том числе все пожилые люди
нуждаются в большой дозе тиамина. Высокое содержание тиамина находится в
пищевых дрожжах.
Для чего необходим тиамин? Нервы, душевная свежесть, кислотность в
желудке,
заживление
ран,
энергия
клеток,
аппетит,
функции сердца,
углеводный обмен.
Витамин H (биотин). Содержится в печени, яичном желтке и других
пищевых продуктах; кроме того, он синтезируется микрофлорой кишечника. В
организме биотин (через ε-аминогруппу остатка лизина) связан с ферментами,
например,
с
пируваткарбоксилазой,
катализирующими
реакцию
карбоксилирования. При переносе карбоксильной группы два N-атома
молекулы биотина в АТФ-зависимой реакции связывают молекулу СО2 и
переносят ее на акцептор.
Биотин с высоким сродством (Kd = 10 - 15 М) и специфичностью
связывается авидином белка куриного яйца. Так как авидин при кипячении
денатурируется,
дефицит
витамина
H
может
наступить
только
при
употреблении в пищу сырых яиц.
137
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.4 Жирорастворимые витамины
Витамин А
Ретинал
и его
производное
(ретиналь,
ретиновая кислота), необходим для роста и
дифференцирования
тканей,
процессов,
фоторецепции, репродукции, его недостаток вызывает ксерофтальмию. Он
необходим для некоторых органов чувств: слуха, зрения (особенно при слабом
свете), обоняния, вкуса. Он необходим для развития здоровой ткани, костей,
зубной эмали, кожи, волос.
Признаки недостаточности витамина А: ломкие, медленно растущие
ногти, сухие и ломкие волосы, сухая кожа, сыпь на коже, плохой аппетит,
ночная слепота, плохой рост.
Источники витамина А: цельное молоко, сливочное масло, маргарин,
печень, яйца, темно-жетые и оранжевые овощи. Без каротина вся флора средней
Европы превратилась бы в завядшую коричневую массу. Также как и у
растений, каротин защищает человеческие клетки от сгорания. Без каротина
человек может за минуту внутренне растаять и сгореть. Особо богаты
каротином овощи: шпинат, морковь, а также абрикосы.
Витамин Д. Он является незаменимым средством, способствующим
усвоению кальция в наших костях и зубах. Витамин Д поддерживает наш
скелет крепким и стабильным. При недостатке витамина Д наблюдается:
близорукость,
выпадение
зубов,
слабые
мускулы,
крошащиеся
зубы,
увеличенные суставы в коленях, нервные расстройства, раздражения, плохой
сон, пессимизм, депрессия. Когда в пище отсутствует кальций, то он
отслаивается от костей. Если вы бледны и белокожи и хотим иметь загар на
коже, мы должны потреблять витамин Д в 2-3 раза больше обычного.
Как можно пополнить недостаток витамина Д? Детям необходимо от 5 мг
до 10 мг, при этом у быстрорастущих детей потребность в этом витамине не
повышается до 10 мг. Люди, которые не попадают на солнце, должны
138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
принимать это количество витамина. Но те, кто ежедневно бывает на солнце 20
минут, в витамине Д уменьшается потребность вдвое.
Витамином Д богата: масло из печени рыб, сельдь, скумбрия, семга. Кто
не избегает попадания солнечных лучей и часто принимает солнечные ванны,
тому необходимо немного меньше витамина Д в продуктах, чем тому, кто
находится постоянно в закрытых помещениях.
Для чего важен витамин Д: образования ногтей, крепкие нервы, здоровые
зубы, работа мускулов, крепкое сердце, иммунитет, образование гормонов,
отчистка организма от свинца, оптимистическое настроение, раскованность.
Витамин Е(токоферол)
Витамин Е - жирорастворимый
витамин, т.е. он растворяется и
остается в жировых тканях тела,
тем самым, уменьшая потребность в потреблении больших количеств
витамина. Признаки дефицита жирорастворимых витаминов проявляются не
сразу, поэтому его трудно диагностировать. Жирорастворимыми витаминами
не следует увлекаться, поскольку токсичные реакции могут вызвать меньшие
дозы RDA (рекомендованных норма витаминов) жирорастворимых, чем
водорастворимых витаминов.
Витамин Е присутствует во многих продуктах, особенно им богаты
некоторые жиры и масла. Витамин Е предотвращает образование кровяных
сгустков и способствует их рассасыванию. Он также улучшает фертильность,
уменьшает и предотвращает приливы в климактерический период. Витамин Е
также используется в косметологии для сохранения молодости кожи, он
способствует заживлению кожи и уменьшает риск образования рубцовой ткани.
Кроме того, токоферол помогает при лечении экземы, язв кожи, герпеса и
лишая. Витамин Е очень важен для красных кровяных телец, он улучшает
дыхание клеток и укрепляет выносливость.
Токоферол - главный питательный антиоксидант. Кроме витамина Е, из
антиоксидантов наиболее известны витамин С и бета-каротин. Антиоксидант
139
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
помогает организму справиться с нестабильными химикатами, которые
называются «свободными радикалами». Свободные радикалы - побочный
продукт процесса преобразования пищи в энергию, которые со временем
накапливаются в организме. Они увеличивают уязвимость клеток (т.н.
окислительный стресс) вследствие процесса старения и общего упадка
центральной нервной системы и иммунной системы. Кроме того, свободные
радикалы
способствуют
развитию
разных
патологических
состояний,
например, рака, сердечных заболеваний, артрита и т.п. Более, антиоксиданты
помогают предотвратить превращение нитратов, содержащихся в табачном
дыме, беконе и некоторых овощах, в канцерогенные вещества.
Различные формы или названия витамина Е:

токоферолы;

токотриенолы;

антиоксиданты;

d-альфа-токоферол.
Значение витамина Е:
 является главным питательным веществом-антиоксидантом;
 замедляет процесс старения клеток вследствие окисления;
 способствует обогащению крови кислородом, что снимает усталость;
 улучшает питание клеток. Укрепляет стенки кровеносных сосудов;
 защищает красные кровяные тельца от вредных токсинов;
 предотвращает образование тромбов и способствует их рассасыванию;
 укрепляет сердечную мышцу.
Источники витамина Е:
 орехи;
 масла;
 шпинат;
 подсолнечное масло и семечки;
 цельные зерна.
140
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Дефицит витамина E может привести к:
 разрыву красных кровяных телец;
 потере репродуктивной способности;
 сексуальной апатии;
 ненормальным жировым отложениям на мышцах;
 дегенеративным изменениям сердечной и других мышц;
 сухости кожи.
Витамин К
Витамин К - это группа нескольких
веществ.
Различают
(филлохинон)
и
витамин
(пренилменахинон).
роль
витамина
витамин
К1
К2
Биологическая
К
обусловлена
участием в свертывании крови. Он
необходим для синтеза в печени активных форм протрамбина и других
факторов свертывания крови при лечении антибиотиками и препаратами,
влияющими на микрофлору кишечника. Здоровый организм вырабатывает
витамин К2 сам. Витамин К продуцируется микрофлорой кишечника и
поступает с пищевыми продуктами.
При отсутствии или недостатке в организме витамина К развиваются
геморрагические
явления.
Поскольку
витамин
К
-
жирорастворимый,
поступление его в организм бывает нарушено, когда нарушается всасывание
жиров кишечной стенкой. Это может явиться причиной геморрагического
диатеза. Геморрагический диатез - болезнь выражающаяся в повышенной
кровоточивости; наблюдаются самопроизвольные и травматические, трудно
останавливаемые
кровотечения
(подкожные,
внутримышечные,
внутрисосудистые и другие). Геморрагический диатез с резко пониженной
свертываемостью
крови
зависит
от
уменьшения
в
крови
фермента,
141
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
необходимого для свертывания крови, - протромбина, образование которого
зависит от содержания витамина К.
Витамин К широко распространен в растительном мире. Особенно богаты
им зеленые листья люцерны, шпината, каштана, крапивы, тысячелистника.
Много витамина в шиповнике, белокочанной, цветной и краснокачанной
капусте, моркови, помидорах, клубнике.
Суточная потребность в витамине К взрослых людей точно не
установлена, ориентировочно она составляет от 70 мкг –до 140 мкг.
Витамин К разрушается при тепловой обработке.
Витамин К доставляется в организм главным образом с пищей, частично
образуется микрофлорой кишечника. Всасывание витамина происходит при
участии желчи.
6.5 Способы сохранения витаминов в пище
В природе практически нет ни одного продукта, в котором находились
бы все витамины в количестве, достаточном для удовлетворения потребностей
организма взрослого человека и ребёнка. Поэтому необходимо максимальное
разнообразие меню: наряду с продуктами животного происхождения и
зерновыми, должны быть овощи и плоды, в том числе в сыром виде.
Для сохранения витаминов в пищевых продуктах, подвергнутых
кулинарной обработке или хранению, необходимо соблюдать следующие
условия:
1) хранить продукты в тёмном и прохладном месте;
2) не проводить первичную обработку пищевых продуктов под ярко
горящим светильником;
3) мыть пищевые продукты в целом виде или крупным куском, нарезать
их непосредственно перед приготовлением пищи;
4) не сливать воду, в которой замачивали бобовые или крупы, а
использовать её при их отварки;
142
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5) подготовленные овощи сразу подвергать тепловой обработке. При
необходимости
хранения
очищенных
овощей
помещать
их
в
прохладное место не более чем на 3 - 5 часов;
6) для варки овощи и плоды помещать в кипящую воду;
7) строго соблюдать время тепловой обработки, не допускать перегрева;
8) плотно закрывать посуду, в которой проводят тепловую обработку;
9) свести к минимуму перемешивание пищи при нагревании;
10) шире применять те виды кулинарной обработки, которые не требуют
длительного нагревания (овощи и картофель лучше варить в кожуре
или в целом виде);
11) необходимой составной частью каждодневного рациона должны быть
сырые овощи, фрукты и ягоды. Резать и тереть овощи, смешивать их и
заправлять майонезом, растительным маслом или сметаной только
перед употреблением;
12) квашеные и солёные овощи хранить под грузом, покрытым рассолом.
Не надо промывать квашеную капусту, так как при этом теряется
более 50 % витамина С;
13) использовать овощные отвары для приготовления супов и соусов;
14) хранить горячие готовые овощные блюда не более 1 часа, срок их
реализации должен быть минимальным;
15) для овощных отваров, соусов, подлив и супов целесообразен
использовать некоторые остатки овощей, богатых витаминами,
минеральными и вкусовыми веществами (например, кочерыжки
капусты, ботву петрушки и ранней свеклы, стебли укропа);
16) для
повышения
целесообразно
витаминной
ценности
питания
в
рацион
включать напитки из сухих плодов шиповника,
пшеничных отрубей (богатых витаминами группы В), из сушёных
яблок и других фруктов и овощей);
17) также важно не оставлять продукты в воде на длительное время;
143
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.6 Витамины для нашего здоровья
Если в ваш организм не попадают постоянно биологические субстанции,
тогда в подкожном слое собираются белковые соединения и раздражающий
холестерин, и образуют корку, которая ведет к морщинам и помятостям.
Витамины А, С, Е придают нам так называемый огонь и при этом создают
соблазнительный и излучающий восторг. Что нужно нашим зубам в
действительности – это кальций и витамин С. Десны перестанут кровоточить,
если вы ежедневно будете выпивать сок одного лимона. Первый шаг к
омоложению и для того, чтобы хорошо выглядеть в возрасте – это витамин С,
который принимает участие в жироувлажнении внешней среды в клетках
организма, и поэтому защищает витамин А и каротин. Витамины и другие
биологические вещества делают нас не только здоровыми, активными,
веселыми и приятными. С их помощью можно и без диеты похудеть. Любитель
поесть на ночь мясо и птицу не прибавит в весе более 30 граммов, если он это
съест с лимоном. Кто хочет похудеть, должен есть много углеводов и
обязательно в здоровой форме: фрукты, овощи, картофель, рис и т.д. Отчаяние,
депрессия, страх, нарушенный сон, забывчивость и моментальная усталость
отзываются на недостаточное получение витаминов. Часто может только одно
принятие пищи, которая содержит много витаминов, улучшит нервное
состояние. Без таких важных витаминов появляется боль в желудке,
расстройство
кишечника,
сердцебиение,
головокружение,
затрудняется
мочеиспускание, а также дыхание и истощается нервная система.
Витамины очень важны особенно в подростковый период. Особенно они
важны на экзаменах, они помогают не перенагружаться и снимать стрессы и
боязнь, то есть поддерживать вас в форме.
144
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7
Ферменты.
Свойства,
строение,
классификация.
Применение ферментов
Ферменты (от лат. fermentum - брожение, закваска), специфические
белки,
присутствующие
во
всех
живых
клетках
и
играющие
роль
биологических катализаторов.
Вещества, участвующие в реакции, которую катализирует фермент,
называются субстратами. От обычных катализаторов ферменты отличает
несколько особенностей.
Во-первых, ферменты обладают очень высокой специфичностью: они
узнают такие небольшие отличия в структуре веществ, как наличие лишней –
СН2-группы, умеют различать цис- и транс-изомеры, D - и L-изомеры.
Некоторые ферменты, однако, обладают не очень строгой специфичностью –
так, фермент желудочного сока пепсин расщепляет пептидные связи,
образованные как ароматическими, так и кислыми аминокислотами (заметим,
что для выполнения биологической функции пепсину и не нужна высокая
специфичность: наоборот, чем больше разных пептидных связей он расщепит,
тем лучше переварится пища в желудке).
Во-вторых, ферменты обладают чрезвычайно высокой эффективностью,
значительно превосходящей эффективность обычных катализаторов. Так, одна
молекула фермента каталазы, ускоряющего разложение перекиси водорода на
воду и кислород, успевает расщепить 200 000 молекул субстрата за одну
секунду.
В-третьих,
ферменты
теряют
свою
активность
при
повышении
температуры. Белки при высоких температурах подвергаются денатурации: они
теряют
свою
природную
конформацию
и
уже
не
могут
выполнять
биологические функции.
Наконец, в четвертых, многие (хотя и не все) ферменты подвергаются
регуляции – в зависимости от нужд клетки и организма их активность может
возрастать, а может и уменьшаться.
145
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ферменты давно используются в медицине. Так, во многих клиниках
проводят
измерение
активности
различных
форм
ферментов
лактатдегидрогеназы и трансаминазы – их соотношение изменяется при таких
болезнях как инфаркт миокарда, поражения печени, мышечные дистрофии;
фермент стрептокиназу врачи применяют для рассасывания тромбов; ферменты
трипсин
и
коллагеназа
используются
для
рассасывания
рубцов.
В
биотехнологии ферменты применяются еще шире. Амилаза, расщепляющая
крахмал, используется в пивоваренной, хлебопекарной (облегчает переработку
крахмала дрожжами), текстильной и кожевенной промышленности (умягчает
сырье). Различные протеазы, расщепляющие белки, применяют в пищевой
(делают старое мясо более мягким, сворачивают молоко в сыроварении) и
кожевенной промышленности. В пищевой промышленности используются
инвертаза (расщепляет сахарозу), глюкоизомераза (изомеризует глюкозу в
более сладкую фруктозу), трансглютаминаза (сшивает белки, улучшая
структуру
продукта),
липазы
(расщепляют
липиды,
применяются
для
получения более ценных пищевых жиров), пектинметилэстераза (осветляет
фруктовые соки) и т.д. Протеазы и липазы часто добавляют в стиральные
порошки для лучшего удаления грязи.
7.1 Исторический очерк
Ещё в незапамятные времена, на заре возникновения цивилизации, люди
в
своей
практической
деятельности
сталкивались
с
различными
ферментативными процессами и использовали их для своих целей. Это
спиртовое и молочнокислое брожение, применение сычуга для приготовления
сыров, солода и плесневых грибов - для осахаривания продуктов. Вероятно,
первым, кто попытался создать общее представление о химических процессах в
живом организме, был врач и ученый Парацельс, родившийся в Швейцарии в
конце XV века. Несмотря на наивность (с совершенной точки зрения), взгляды
Парацельса во многом были прогрессивными, так как для понимания
146
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
жизненных явлений он пытался привлечь реальные силы природы. Именно с
этих позиций Парацельс и его последователи подошли к рассмотрению
сущности ферментации, давно известного понятия обозначавшего разного рода
брожения, главным образом спиртовое и молочнокислое. В XVI и начале XVII
века уже делались попытки рассматривать ферментации как химические
процессы. И
Василий Валентин ( первая половина XVI века), и Андрей
Либавий (1550-1616 годы) считали ферменты ( или дрожжи) особым
веществом, хотя и подчиняли его действия неким не материальным силам.
Другим последователем Парацельса был знаменитый голландский химик
Иоганн Баптиста Ван Гельмонт (577-1644 годы). Именно он охарактеризовал
фермент как агент, вызывающий химические процессы в организме и
управляющий ими. Качественный скачёк в развитии учения о ферментациях
произошёл в связи с исследованиями великого французского химика Антуана
Лавуазье, совершившего переворот в химии и впервые внедрившего в
химические исследования строгие количественные методы. К концу XVIII века
уже было известно, что встречаются химические процессы, протекающие с
участием какого-то агента, без которого процесс практически не идёт.
Первые успехи были достигнуты при изучении превращения крахмала в
сахар.
Решающая
роль
в
этих
исследованиях
принадлежит
работам
петербургского академика К. С Кирхгофа, которые открыли новую страницу в
истории и химия ферментов. В начале XIX века было открыто немало
химических реакций, среди них были и некоторые ферментативные реакции.
Юстус Либих был одним из наиболее крупных авторитетов среди химиков XIX
века. В это время было открыто ещё несколько ферментов. В 1836 году
Т.Шванн впервые обнаружил в желудочном соке фермент животного
происхождения, названный им пепсином. Несколько позже, в 1857 году,
А.Корвизар описал другой фермент, переваривающий белки - трипсин. В XIX
веке (1897 год) Эдуард Бухнер убедительно доказал химическую природу
ферментов. В 1907 году - Эдуард Бухнер был удостоен Нобелевской премии по
химии. (В.И.Розенгарт Ферменты- двигатели жизни). В конце 19 века Э. Фишер
147
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
предложил первую теорию специфичности ферментов. В 1913 Л. Михаэлис
сформулировал
общую
теорию кинетики ферментативных реакций.
В
кристаллическом виде первые ферменты были получены Дж. Самнером в 1926
(уреаза) и Дж. Нортропом в 1930 (пепсин). Впервые первичная структура
(аминокислотная последовательность) ферментов была установлена У. Стейном
и С. Муром в 1960 для рибонуклеазы А, а в 1969 P. Меррифилдом осуществлен
химический синтез этого фермента. Пространственное строение (третичная
структура) ферментов впервые установлено Д. Филлипсом в 1965 для
лизоцима. Во 2-й пол. 20 в. каталитич. активность была открыта также у некрых РНК (их название рибозимы).
7.2 Классификация ферментов
По первой в истории изучения ферментов классификации их делили на
две группы:
 гидролазы, ускоряющие гидролитические реакции;
 десмолазы, ускоряющие реакции негидролитического распада.
Затем была сделана попытка разбить ферменты на классы по числу
субстратов, участвующих в реакции. В соответствии с этим ферменты
классифицировали на три группы.
1 Катализирующие превращения двух субстратов одновременно в обоих
направлениях: А+В)С+D.
2 Ускоряющие превращения двух субстратов в прямой реакции и одного
в обратной: А+В)С.
3 Обеспечивающие каталитическое видоизменение одного субстрата как
в прямой, так и в обратной реакции: А)В.
Одновременно развивалось направление, где в основу классификации
ферментов был положен тип реакции, подвергающейся каталитическому
воздействию. Наряду с ферментами, ускоряющими реакции гидролиза
(гидролазы), были изучены ферменты, участвующие в реакциях переноса
148
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
атомов и атомных групп (феразы), в изомеризации (изомеразы), расщеплении
(лиазы), различных синтезах (синтетазы) и т. д. Это направление в
классификации ферментов оказалось наиболее плодотворным, так как
объединяло ферменты в группы не по надуманным, формальным признакам, а
по
типу
важнейших
биохимических
процессов,
лежащих
в
основе
жизнедеятельности любого организма.
По этому принципу все ферменты делят на 6 классов.
1 Оксидоредуктазы - ускоряют реакции окисления - восстановления.
2 Трансферазы - ускоряют реакции переноса функциональных групп и
молекулярных остатков.
3 Гидролазы - ускоряют реакции гидролитического распада.
4 Лиазы - ускоряют негидролитическое отщепление от субстратов
определенных групп атомов с образованием двойной связи (или присоединяют
группы атомов по двойной связи).
5 Изомеразы - ускоряют пространственные или структурные перестройки
в пределах одной молекулы.
6 Лигазы - ускоряют реакции синтеза, сопряженные с распадом богатых
энергией связей. Эти классы и положены в основу новой научной
классификации ферментов.
К классу оксидоредуктаз относят ферменты, катализирующие реакции
окисления - восстановления. Окисление протекает как процесс отнятия атомов
Н (электронов) от субстрата, а восстановление - как присоединение атомов Н
(электронов) к акцептору.
В класс трансфераз входят ферменты, ускоряющие реакции переноса
функциональных групп и молекулярных остатков от одного соединения к
другому. Это один из наиболее обширных классов: он насчитывает около 500
индивидуальных ферментов. В зависимости от характера переносимых
группировок
различают
гликозилтрансферазы,
фосфотрансферазы,
ацилтрансферазы,
аминотрансферазы,
трансферазы,
переносящие
одноуглеродные остатки (метилтрансферазы, формилтрансферазы), и др.
149
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Например, амидазы ускоряют гидролиз амидов кислот. Из них важную роль в
биохимических процессах в организме играют уреаза, аспарагиназа и
глутаминаза.
Уреаза была одним из первых белков-ферментов, полученным в
кристаллическом состоянии. Это однокомпонентный фермент (М=480000),
молекула его глобулярна и состоит из 8 равных субъединиц. Уреаза ускоряет
гидролиз мочевины до NН3 и СО2.
Характерные
черты действия ферментов класса лигаз (синтетаз)
выявлены совсем недавно в связи со значительными успехами в изучении
механизма синтеза жиров, белков и углеводов: Оказалось, что старые
представления об образовании этих соединений, согласно которым они
возникают
при
обращении
реакций
гидролиза,
не
соответствуют
действительности. Пути их синтеза принципиально иные.
Главная их особенность - сопряженность синтеза с распадом веществ,
способных
поставлять
энергию
для
осуществления
биосинтетического
процесса. Одним из таких природных соединений является АТФ. При отрыве
от ее молекулы в присутствии лигаз одного или двух концевых остатков
фосфорной кислоты выделяется большое количество энергии, используемой
для активирования реагирующих веществ. Лигазы же каталитически ускоряют
синтез органических соединений из активированных за счет распада АТФ
исходных продуктов. Таким образом, к лигазам относятся ферменты,
катализирующие соединение друг с другом двух молекул, сопряженное с
гидролизом
пирофосфатной
связи
в
молекуле
АТФ
или
иного
нуклеозидтрифосфата.
Механизм действия лигаз изучен еще недостаточно, но, несомненно, он
весьма сложен. В ряде случаев доказано, что одно из участвующих в основной
реакции веществ сначала дает промежуточное соединение с фрагментом
распадающейся молекулы АТФ, а вслед за этим указанный промежуточный
продукт взаимодействует со вторым партнером основной химической реакции с
образованием конечного продукта.
150
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 27 - Классификация энзимов
Классификация энзимов – Е.С. (см. рисунок 31):
а) Е.С.1. – оксидоредуктазы (oxidoreductases):
1) Е.С.1.1. – действует на СН-ОН функцию;
2) Е.С.1.2. – действует на альдегидную группу;
3) Е.С.1.3. – действует на СН-СН группу;
4) Е.С.1.10. – действует на дифенолы и родственные группы;
5) Е.С.1.13. – действует на простую связь с внедрением молекулярного
кислорода;
6) Е.С.1.17. – действует на СН2 фрагмент.
б) Е.С.2. – трансферазы (transferases):
1) Е.С.2.1. – переносчики одно-углеродной группы;
2) Е.С.2.2. – переносчики карбонильных функций;
3) Е.С.2.3. – ацетилтрансферазы;
4) Е.С.2.4. – гликозилтрансферазы;
5) Е.С.2.5. – переносчики алкильных и арильных групп;
6) Е.С.2.6. – переносчики азотистых функций;
7) Е.С.2.7. – переносчики фосфор-содержащих групп;
8) Е.С.2.8. – переносчики серу-содержащих функций;
151
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9) Е.С.2.9. – переносчики селен-содержащих групп.
в) Е.С.3. – гидролазы (hydrolases):
1) Е.С.3.1. – действуют на сложноэфирные связи, эстеразы;
2) Е.С.3.2. – гликозилазы;
3) Е.С.3.3. – действуют на простоэфирные связи;
4) Е.С.3.4. – действуют на пептидные связи (пептид гидролазы) ;
5) Е.С.3.5. – действуют на C – N связи, кроме пептидных;
6) Е.С.3.6. – действуют на ангидриды кислот;
7) Е.С.3.7. – действуют на углерод-углеродные связи;
8) Е.С.3.8. – действуют на связи с галогеном;
9) Е.С.3.9. – действуют на связи P – N;
10) Е.С.3.10.– действуют на S – N связи;
11) Е.С.3.11.– действуют на C – P связи;
12) Е.С.3.12.– действуют на S – S связи;
13) Е.С.3.13.– действуют на C – S связи.
г) Е.С.4. – лиазы (lyases):
1) Е.С.4.1. – углерод-углеродные лиазы;
2) Е.С.4.2. – углерод-кислородные лиазы;
3) Е.С.4.3. – углерод-азотные лиазы;
4) Е.С.4.4. – углерод-серы лиазы;
5) Е.С.4.5. – углерод-галоген лиазы;
6) Е.С.4.6. – фосфор-кислородные лиазы;
7) Е.С.4.99.– другие лиазы.
д) Е.С.5. – изомеразы (isomerases):
1) Е.С.5.1. – рацемазы и эпимеразы;
2) Е.С.5.2. – цис-трас-изомеразы;
3) Е.С.5.3. – внутримолекулярные оксидоредуктазы;
152
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4) Е.С.5.4. – внутримолекулярные трансферазы (мутазы);
5) Е.С.5.5. – внутримолекулярные лиазы;
6) Е.С.5.99. – другие изомеразы.
ж) Е.С.6. – лигазы (ligases):
1) Е.С.6.1. – образуют углерод-кислородные связи;
2) Е.С.6.2. – образуют углерод-сера связи;
3) Е.С.6.3. – образуют углерод-азотные связи;
4) Е.С.6.4. – образуют углерод-углеродные связи;
5) Е.С.6.5. – образуют фосфат эфирные связи.
7.3 Номенклатура ферментов
Ферментология
очень
долго
не
располагала
строго
научной
номенклатурой ферментов. Наименования ферментам давали по случайным
признакам (тривиальная номенклатура), по названию субстрата (рациональная),
по химическому составу фермента, наконец, по типу катализируемой реакции и
характеру субстрата.
Примерами тривиальной номенклатуры могут служить названия таких
ферментов, как пепсин (от греч. пепсис - пищеварение), трипсин (от греч.
трипсис - разжижаю) и папаин (от названия дынного дерева Carica papaja, из
сока которого он выделен). По действию все эти ферменты являются
протеолитическими, т. е. ускоряют гидролиз протеинов (белков). Характерное
название была дано группе окрашенных внутриклеточных ферментов,
ускоряющих окислительно-восстановительные реакции в клетке, - цитохромы
(от лат. citos - клетка и chroma - цвет).
Наибольшее распространение получила рациональная номенклатура,
согласно которой название фермента составляется из названия субстрата
характерного окончания -аза. Она была предложена более столетия тому назад,
в 1883 г. Э. Дюкло - учеником Л. Пастера. Так, фермент, ускоряющий реакцию
153
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
гидролиза крахмала, получил название амилаза (от греч. амилон - крахмал),
гидролиза жиров - липаза (от греч. липос - жир), белков (протеинов) - протеаза,
мочевины - уреаза (от греч. уреа - мочевина) и т. п.
Когда методами аналитической химии были достигнуты известные
успехи в расшифровке химической природы простетических групп, возникла
новая
номенклатура
ферментов.
Их
стали
именовать
по
названию
простетической группы, например, геминфермент (простетическая группа гем), пиридоксаль-фермент (простетическая группа - пиридоксаль) и т.п.
Затем в названии фермента стали указывать как на характер субстрата,
так и на тип катализируемой реакции. К примеру, фермент, отнимающий
водород от молекулы янтарной кислоты, называют сукцинатдегидрогеназой,
подчеркивая этим одновременно и химическую природу субстрата, и отнятие
атомов водорода в процессе ферментативного действия:
- 2Н
НООС -СH2 - СН2 - CООН → НООС - СН = СН - СООН
Янтарная кислота
Дегидрирование
В 1961 г. Международная комиссия по номенклатуре ферментов
представила
V
Международному
биологическому
конгрессу
проект
номенклатуры, построенный на строго научных принципах. Проект был
утвержден конгрессом, и новая номенклатура прочно вошла в ферментологию.
Согласно этой (Московской) номенклатуре название ферментов составляют из
химического
названия
субстрата
и
названия
той
реакции,
которая
осуществляется ферментом. Если химическая реакция, ускоряемая ферментом,
сопровождается переносом группировки атомов от субстрата к акцептору,
название фермента включает также химическое наименование акцептора.
Например,
переаминирования
пиридоксальфермент,
между
L-аланином
катализируюший
и
-кетоглутаровой
реакцию
кислотой,
называется L-аланин: 2-оксоглутарат аминотрансфераза. В этом названии
отмечены сразу три особенности:
1) субстратом является L-аланин;
154
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2) акцептором служит 2-окcоглутаровая кислота;
3) от субстрата к акцептору передается аминогруппа.
Названия ферментов по научной номенклатуре неизмеримо выигрывают
в точности, но становятся в ряде случаев гораздо сложнее старых, тривиальных.
Так, уреаза (тривиальное название), ускоряющая реакцию гидролиза мочевины на оксид углерода (IV) и аммиак, по научной номенклатуре
именуется карбамид - амидогидролазой:
Н2N - СО - NН2 + Н2О → 2NН3 + СО2
В этом названии дано точное химическое наименование субстрата и
указано,
что
фермент
катализирует
реакцию
гидролиза
амидогруппы.
Трегалаза, ускоряющая реакцию гидролиза трегалозы, называется трегалоза-1глюко-гидролазой.
В связи со значительным усложнением научных названий в новой
номенклатуре допускается сохранение наряду с новыми старых тривиальных,
рабочих названий ферментов. Международной комиссией был составлен
детальный список всех известных в то время ферментов, существенно
дополненный в 1972 г. при пересмотре как классификации, так и номенклатуры
некоторых ферментов, где рядом с новым научным названием каждого
фермента приведено старое, а также указан химизм катализируемой ферментом
реакции и в некоторых случаях природа фермента. Таким образом, исключается
возможность путаницы в наименовании ферментов. В 1964 г. список включал
874 фермента; в последующее время он был существенно дополнен и возрос до
1770 ферментов в 1972 г. и до 2003 ферментов в 1979 г.
Каждому ферменту в указанном списке присвоен индивидуальный номер
(шифр). Например, шифр уреазы выражается цифрами 3.5.1.5. Это означает, что
уреаза относится к 3-му классу (первая цифра) ферментов, все представители
которого катализируют реакции гидролиза. Вторая цифра (5) говорит о том, что
уреаза принадлежит к 5-му подклассу этого класса, куда зачислены все
ферменты, ускоряющие гидролиз С - N-связей, не являющихся пептидными.
Третья цифра шифра (1) указывает на принадлежность уреазы к подподклассу
155
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5-го подкласса, члены которого ускоряют гидролиз линейных амидов, а
последняя цифра (5) - порядковый номер уреазы в этом подподклассе.
Упоминавшаяся ранее лактатдегидрогенеза имеет шифр 1.1.1.27, т. е.
относится к 1-му классу ферментов (оксидоредуктазы), к 1-му подклассу
(оксидоредуктазы, действующие на СН - ОН-группировки в качестве доноров
атомов водорода), к 1-му подподклассу (акцептором атомов водорода служит
никотинамидадениндинуклеотид) и занимает 27-е место в перечне ферментов
упомянутого подподкласса. Таким образом, шифр абсолютно точно указывает
место фермента в общем списке. В настоящее время принято в научных
публикациях при первом упоминании фермента указывать в скобках его шифр.
7.4 Природа ферментов
После того как стало возможным исследование ферментов в
бес клеточной среде, была окончательно установлена их химическая природа.
Было выявлено, что все они представляют собой вещества белковой природы и,
как все белки могут быть простыми и сложными в зависимости от
сопутствующего компонента небелкового характера (простетической группы).
Свойство
каждого
белка
определяется
последовательностью
расположения остатков аминокислот в их молекуле. Эта последовательность
называется первичной структурой белка. В последние годы разработаны очень
надёжные,
и
даже
автоматизированные
методы
изучения
первичной
структуры, что дало возможность определить полную аминокислотную
последовательность для многих белков, в том числе и для ферментов. Помимо
первичной структуры, определяемой последовательностью расположения
аминокислот, для проявления специфических свойств белка (в ном числе
ферментативной активности) важную роль играют более высокие уровни вторичная
и
третичная
структуры,
сущность
которых заключается
определённом расположение полипептидных цепей в пространстве.
156
в
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вторичная
и
третичная
структуры
белков
поддерживаются
сравнительно слабыми внутримолекулярными связями, и поэтому легко могут
быть разрушены разными физическими и химическими воздействиями. Такое
нарушение высших структур белка без повреждения его первичной структуры
составляет сущность денатурации. При денатурации белок нередко утрачивает
свои биологические свойства, в случае ферментов исчезает ферментативная
активность.
Современные
методы
исследования
позволяют
получить
представление не только о первичной структуре белков. Есть ферменты, для
которых
полностью
выяснено
пространственное
расположение
атомов,
составляющее их молекулу, то- есть расшифрованы вторичная и третичная
структуры. Это достигнуто благодаря применению исключительно тонкого и
сложного метода, так называемого рентгеноструктурного анализа. Некоторым
белкам свойственен ещё более высокий уровень структуры - четвертичная
структура. Это уже надмолекулярный уровень: функционирование такого
белка нуждается не в одной, а в нескольких молекулах (чаще всего в двух или
четырёх),
которые
вместе
специфическими свойствами.
образуют
комплекс,
обладающий
всеми
Каждая отдельная молекула такого белка,
составляющая четвертичный комплекс, называется субъединицей. Многие
ферменты построены из субъединиц. В одних случаях субъединиц сами
обладают активностью, в других их субъединиц по отдельности неактивны.
Субъединицы,
сопоставляющие
молекулу
фермента,
могут
быть
одинаковыми, но могут и отличатся друг от друга. Представление о молекуле
фермента как структуре, состоящей из субъединиц, позволяет нам объяснить
одно очень интересное и практически важное явление. Существуют ферменты,
различающиеся по строению, но катализирующие одну и ту же реакцию, они
называются
изоферментами.
Такие
ферменты
довольно
широко
распространены в организме, и их выявление имеет большое значение в
медицине.
Одно из наиболее поразительных свойств ферментов их специфичность.
Специфичность ферментов проявляется по- разному и может быть выражена в
157
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
разной степени. Прежде всего следует различать специфичность по отношению
к субстрату и к типу химической реакции, катализируемой ферментом.
Специфичность
по
отношению
к
реакции.
Каждый
фермент
катализирует одну химическую реакцию или группу реакций одного типа.
Наиболее ярким проявлением этого вида специфичности могут служить
довольно частые случаи, когда одно и то же химическое соединение выступает
как субстрат действия нескольких ферментов, причём каждый из них,
катализирует специфическую для него реакцию, приводит к образованию
совершенно различных продуктов.
В первой реакции под действием фермента оксидазы происходит
окисление аминокислот. При этом аминогруппа (NH2) отделяется в форме
аммиака (NH3) и образуется соединение, содержащие кретонную группу (С=О)
и называемое кетокислотой.
Вторую реакцию катализирует декарбоксилаза. Под
влиянием этого
фермента из карбоксильной группы (- СООН) отщепляется углекислота (СО2) и
остаётся амин.
Третья
реакция
более
сложна.
Она
катализируется
ферментом
трансиминазой и состоит в переносе аминогруппы с аминокислоты на
кетонокислоту. Мы видим. что исходная аминокислота имеет радикал R, а
образовавшаяся в результате реакции новая аминокислота- радикал R'.
Итак, один и тот же субстрат подвергается разным превращениям под
влиянием различных ферментов.
Специфичность по отношению к субстрату. Наряду с только, что
описанной формой специфичности фермента по отношению к катализируемой
им реакции существует и другая, тесно связанная с первой форма
специфичности, выражающаяся в способности фермента атаковать субстрат
только определённого химического строения. Иногда фермент способен
действовать только на один единственный субстрат, тогда говорят, что он
158
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
обладает абсолютной специфичностью. Значительно чаще фермент влияет на
группу субстратов, имеющих сходное строение. Такую специфичность
называют
групповой.
Особый
интерес
представляет
так
называемая
стереохимическая специфичность, состоящая в том, что фермент действует на
субстрат или группу субстратов, отличающихся особым расположением атомов
в пространстве. Абсолютная специфичность встречается редко.
Хорошим примером фермента, обладающего очень высокой, практически
абсолютной
специфичностью
может
служить
уреаза,
катализирующая
гидролиз мочевины.
H2N\
C=O + H2O = CO2 + 2NH3
H2N/
вода
углекислота
аммиак
мочевина
Долгое
время
считалось,
что
мочевина
субстратом уреазы. Но не так давно было
уреаза
может
действовать
и
на
является
единственным
показано, что кристаллическая
близкого
родственника
мочевины
-
оксимочевину, отличающуюся наличием в молекуле одного атома кислорода.
HOHN\
C=O
H2N/
оксимочевина
Правда, реакция гидролиза мочевины под влиянием уреазы протекает в
120 раз медленнее, чем гидролиз мочевины
Групповая
специфичность.
Она
характеризует
подавляющее
большинство ферментов и состоит в том, что фермент, проявляя свойственную
ему специфичность по отношению к реакции, способен действовать не на один,
а на несколько, иногда на большое число субстратов со сходным химическим
строением. Например, три разных фермента, действующие на аминокислоты.
все они обладают групповой специфичностью, так как действуют не на какуюнибудь одну аминокислоту, а на многие, иногда на все аминокислоты.
159
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Относительно групповая специфичность проявляется тогда, когда
фермент безразличен к структуре соединения и имеет значение лишь тип связи.
Примером служит химотрипсин, расщепляющий только пептидную связь.
Стереохимическая
и оптическая
специфичность
имеет особое
значение. Проявляется только в случае оптически активных веществ, и фермент
активен только по отношению к одной стереоизомерной форме соединения.
Например, L- аргиназа разлагает L-аргинин на L- орнитин и мочевину, но не
действует на А- аргинин. Известным примером служит d и L- специфичность
оксидаз аминокислот. Стереохимическая и оптическая активность так-
же
может быть абсолютной и относительной; например, карбоксипептидаза,
расщепляющая карбобензокси -глицил-L- фенилаланин совсем не действует на
субстрат с А- фенилаланином: с другой стороны, эстераза свиной печени
разлагает метиловый эфир L- миндальной кислоты лишь вдвое быстрее, чем его
А- изомер.
Состав. После того как стало возможным исследование ферментов в бес
клеточной среде, была окончательно установлена их химическая природа. Было
выявлено, что все они представляют собой вещества белковой природы и как
все белки, могут быть простыми и сложными в зависимости от сопутствующего
компонента небелкового характера (простетической группы). Ферментыпростые белки- построены только из аминокислот, и их каталитические
свойства обусловлены свойством самой белковой молекулы. К этой группе
ферментов относится большинство гидролитических ферментов. Ферментысложные белки- содержат в своём составе, помимо белкового компонента, ещё
и небелковый- например, нуклеотиды, геминовую группу, витамины, атомы (
катионы ) металла. К таким ферментам обычно относятся ферменты
окислительно-восстановительного действия. Прочность связи между белковым
компонентом и простетической группой в сложных ферментах может быть
различной. В некоторых случаях связь прочная, в других - простетическая
группа
довольно
легко
отделяется,
например
при
диализе.
Легко
диссоциирующие простетические группы ферментов получили название
160
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
коферментов. При отделении простетической группы от белковой части
фермента - последний теряет свою активность. В простых ферментах активный
центр образуется непосредственно группировкой аминокислотных остатков в
спиральной цепи белковой молекулы. В сложных ферментах он образуется
простетической группой и некоторыми прилегающими к ней остатками. Размер
активных центров значительно меньше самой молекулы фермента. На один
активный центр приходится масса молекулы с молекулярным весом 30000. В
простых ферментах пространственная группировка этих аминокислотных
остатков
сама
по
себе
определяет
структуру
активного
центра
и
каталитическую активность фермента. В сложных ферментах структура
активного центра определяется простетической группой и боковыми группами
некоторых аминокислотных остатков, пространственная структура которых
оказывает существенное влияние на специфичность и каталитическую
активность небелкового компонента. Среди таких аминокислотных остатков
наибольшее значение имеют SH- группы цистеина, OH- группы серина,
несколько
меньшее
значение
имеет
индольная
группа
триптофана,
карбонильные группы дикарбоновых аминокислот. Компоненты активного
центра нельзя представлять последовательно расположенными на, каком - либо
участке цепи. По-видимому, активный центр формируется из компонентов,
удалённых в первичной структуре полипептидной цепи, но пространственно
сближенных благодаря специфической укладке полипептидной цепи.
7.5 Локализация ферментов в клетке
Одним из принципиальных отличий ферментов от катализаторов
небиологического происхождения является кооперативный характер их
действия. На уровне одиночной молекулы фермента кооперативный принцип
реализуется
в
аллостерического
тонком
центров.
взаимодействии
Однако
субстратного,
гораздо
большее
активного
значение
и
имеет
кооперативное осуществление реакций на уровне ансамблей ферментов.
161
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Именно благодаря наличию систем ферментов - в виде мультиэнзимных
комплексов
или
еще
более
сложных
образований
-
метаболонов,
обеспечивающих каталитические превращения всех участников единого
метаболического цикла - в клетках с большой скоростью осуществляются
многостадийные процессы как распада, так и синтеза органических молекул.
Ферментативный катализ в многостадийных реакциях идет без выделения
промежуточных продуктов: только возникнув, они тут же подвергаются
дальнейшим преобразованиям.
Это возможно лишь потому, что в клеточном содержимом ферменты
распределены не хаотически, а строго упорядоченно. С современной точки
зрения клетка представляется высокоорганизованной системой, в отдельных
частях
которой
процессы.
В
субклеточным
осуществляются
соответствии
частицам
с
или
строго
определенные
приуроченностью
отсекам
их
(компартментам)
к
биохимические
определенным
клетки
в
них
локализованы те или иные индивидуальные ферменты, мультиэнзимные
комплексы, полифункциональные ферменты или сложнейшие метаболоны.
Разнообразные гидролазы и лиазы сосредоточены преимущественно в
лизосомах. Внутри этих сравнительно небольших (несколько нанометров в
диаметре) пузырьков, ограниченных мембраной от гиалоплазмы клетки,
протекают процессы деструкции различных органических соединений до тех
простейших структурных единиц, из которых они построены. Сложные
ансамбли окислительно-восстановительных ферментов, такие, например, как
цитохромная система, находятся в митохондриях. В этих же субклеточных
частицах локализован набор ферментов цикла дикарбоновых и трикарбоновых
кислот. Ферменты активирования аминокислот распределены в гиалоплазме, но
они же есть и в ядре. В гиалоплазме присутствуют многочисленные
метаболоны
гликолиза,
пентозофосфатного
цикла,
структурно
что
объединенные
обеспечивает
с
таковыми
взаимопереключение
дихотомического и апотомического путей распада углеводов. В то же время
ферменты, ускоряющие перенос аминокислотных остатков на растущий конец
162
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
полипептидной цепи и катализирующие некоторые другие реакции в процессе
биосинтеза
белка,
сосредоточены
Нуклеотидилтрансферазы,
в
рибосомальном
ускоряющие
аппарате
реакцию переноса
клетки.
нуклеотидных
остатков при новообразовании нуклеиновых кислот, локализованы в основном
в
ядерном
аппарате
клетки.
Таким
образом,
системы
ферментов,
сосредоточенные в тех или иных структурах, участвуют в осуществлении
отдельных циклов реакций. Будучи тонко координированы друг с другом, эти
отдельные циклы реакций обеспечивают жизнедеятельность клеток, органов,
тканей и организма в целом.
7.6 Значение ферментов
Постоянный обмен нуклеиновыми кислотами, составляет основную часть
генетического материала клетки. В ходе обмена нуклеиновых кислот наряду с
синтезом происходит и распад. Этот процесс катализирует большая группа
ферментов, объединенных названием нуклеаз. Цепочка нуклеиновых кислот
образованна фосфорной кислотой и углеводородом; азотистые основания
служат боковыми группами. Поэтому разрушение нуклеиновых кислот – это
разрыв связей между остатками фосфорной кислоты и углевода. Все нуклеазы
могут быть разделены на две группы: экзонуклеазы и эндонуклеазы.
Экзонуклеазы действуют с одного из концов полинуклеотидной цепи и на
каждом этапе отсекает по одному нуклеотиду, постепенно укорачивая цепочку.
В отличие от этого эндонуклеазы сразу во многих местах разрывают связи
внутри молекулы нуклеиновых кислот и поэтому приводят к быстрой
деградации молекулы. Весь комплекс ферментов обмена нуклеиновых кислот
выполняет
важную
биологическую
задачу:
сохранение
в
целостности
генетического материала клетки и репарации (исправления) тех повреждений
структуры ДНК, которые могут возникнуть а результате радиоактивного или
ультрафиолетового облучения и других вредных воздействий.
163
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известно, что все проявления жизнедеятельности связаны с затратой
энергии. Эта энергия освобождается при химических превращениях в клетке
тех веществ, которые в виде пищи поступают в наш организм. Задача
пищеварения сводится к тому, чтобы превратить главные пищевые вещества:
белки, углеводы и жиры, - в такие продукты, которые непосредственно смогут
быть использованы во внутриклеточном обмене. Свой путь в организме пища
начинает, попадая в рот, и уже на этом этапе она сталкивается с ферментами. В
слюне содержится фермент амилазы, катализирующий разложения крахмала и
превращение
его
в
сахар.
Разжёванная
и
смоченная
слюной
пища
проглатывается и через пищевод попадает в желудок. Слизистая оболочка
желудка вырабатывает желудочный сок. В желудочном соке есть соляная
кислота, придающая желудочному содержимому кислую среду. Так же в
желудочном соке имеется протеолитический (расщепляющий белки) фермент –
пепсин. Он как раз лучше всего действует в кислой среде. Пепсин не
расщепляет белки до конца, он только ''раскладывает'' крупную белковую
молекулу на части, доступные для действия пищеварительных ферментов
кишечника. Из желудка пищевая кашица поступает в двенадцатиперстную
кишку, где на неё изливаются соки двух самых крупных желёз человеческого
организма: печени и поджелудочной железы. Сок поджелудочной железы
содержит большой набор ферментов, действующих на все важнейшие пищевые
вещества. Ферменты: трипсин и химотрипсин (расщепляющие белки)
расщепляют пептидные цепи в разных местах. Комбинированная атака
протеолитических ферментов желудочного и поджелудочного соков приводят к
распаду белков на мелкие пептиды, содержащие небольшое количество
аминокислотных остатков. В поджелудочном соке содержится чрезвычайно
активная амилаза, она практически полностью завершает расщепление
крахмала, начатое слюной. В результате крахмал превращается в солодовый
сахар – мальтозу – дисахарид, состоящий из двух остатков глюкозы. Третий
главный компонент пищи – жиры тоже расщепляются под влиянием
поджелудочного сока. Для этой цели там содержится специальный фермент –
164
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
липаза.
Простейшая
и
наиболее
распространённая
форма
жиров
–
триглицериды. Под действием липазы молекула триглицерида присоединяет
три молекулы воды и распадается на составляющие его глицерин и жирные
кислоты. Но заключительную работу в области пищеварения совершает
кишечный сок, вырабатываемый клетками слизистых оболочек тонких кишок.
Он содержит много ферментов, заканчивающих процесс окончательного
разложения пищевых веществ. Осколки белковых молекул распадаются на
отдельные аминокислоты; мальтоза, образовавшаяся из крахмала, и другие
сложные углеводы превращаются в простые углеводы – моносахариды – вроде
глюкозы. На этом заканчивается процесс пищеварения.
Одна из защитных реакций – свёртывание крови, происходит с участием
ферментов. Как же происходит свертывание крови? Кровь, как известно
состоит из жидкой части – плазмы и так называемых ферменных элементов,
которые в ней плавают. Это кровяные клетки: эритроциты (красные кровяные
тельца) и тромбоциты (кровяные пластинки). Плазма представляет собой
сложный раствор многих веществ, в том числе самых разнообразных белков. Из
белков плазмы для нас сейчас особый интерес представляет один – фибриноген.
Пока кровь течёт по кровеносным сосудам, с фибриногеном ничего не
происходит. Но стоит поранить сосуд настолько, чтобы кровь вытекала из него,
как фибриноген очень быстро превращается в другой белок – фибрин. Фибрин,
в отличии от фибриногена, не растворяется в плазме. В виде тонких нитей,
переплетённых в густую сетку, он выпадает в осадок. В этой сетке застревают
кровяные клетки и образуется плотный сгусток – тромб, препятствующий
дальнейшему кровотечению. Превращение фибриногена в фибрин – процесс
ферментативный,
протеолитический
катализируемый
ферментом
тромбином.
Тромбин
–
фермент, подобный трипсину и химотрипсину. Но это
фермент очень специфичный. Он действует только на фибриноген, отщепляя от
его молекулы два сравнительно небольших полипептида. Оставшаяся часть
молекулы фибриногена перестраивается и превращается в нерастворимый
фибрин.
165
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(тромбин)
Фибриноген
2 Полипептида + фибрин
Также ферменты играют важную роль во всех проявлениях жизни.
Успехи учения о ферментах внесли весомый вклад в развитие всех направлений
человеческой практики.
Ферменты нашли широкое применение в медицине. Это, прежде всего,
изучение таких болезней причина, которых лежит в недостаточности тех или
иных ферментов. Далее это использование определения активности ферментов
в биологических жидкостях и тканях для диагностики различных заболеваний.
И, наконец, это применение ферментов в качестве лекарственных средств.
Генетически обусловленные нарушения. Время от времени в бесконечно
длинных цепях ДНК, где записаны все инструкции по синтезу белков, вдруг
появляются случайные замены: вместо одного нуклеотида становится другой.
Такие замены называются мутациями. Чаще всего конкретные причины
мутации неизвестны. А последствия их нередко бывают роковыми. Приведем
такой пример. Люди отличаются друг от друга цветом кожи, волос и глаз.
Причина этого – разные пигменты, меланины, синтезируемые из некоторых
аминокислот под влиянием определённых ферментов. Если образование этих
пигментов не происходит из-за отсутствия одного из участвующих в реакции
ферментов, возникает альбинизм – отсутствие окраски. Люди альбиносы имеют
очень белые волосы и светлые глаза. Альбиносы по здоровью не уступают
людям с нормальной окраской. Гораздо более тяжёлым заболеванием, нередко
приводящим к гибели новорождённых, является непереносимость простых
углеводов – моносахаридов (галактозы и фруктозы). Здесь речь идёт о
невозможности нормального обмена веществ в клетках из-за отсутствия
необходимых ферментов. Достаточно подробно изучены врождённые болезни,
связанные с недостатком ферментов, катализирующих разложение гликогена. В
результате нарушения этого процесса гликоген начинает накапливаться в
тканях в избыточном количестве и препятствует нормальному течению обмена
веществ. Такие болезни получили название гликогенозов. Болезни, связанные с
166
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
отсутствием витаминов, называют авитаминозом. Но по существу они являются
ферментозами. Давно известна и когда – то была широко распространена
болезнь ''бери – бери ''(сейчас её называют полиневритом – множественное
воспаление нервов, в некоторых слаборазвитых странах она и теперь
встречается нередко). Причина её отсутствие в пище витамина
В1. Этот
витамин – тиамин – в соединении с фосфорной кислотой представляет собой
небелковую часть фермента декарбоксилазы. Декарбоксилаза разрушает
карбоксильную группу (- СООН) некоторых органических кислот, отщепляя от
неё углекислоту (СО2). В отсутствии витамина В1 декарбоксилаза образоваться
не может, реакция прекращается и в нервной ткани наступают нарушения,
типичные для полиневрита: параличи конечностей, боли в мышцах, слабость,
контрактуры. Тяжёлое заболевание – пеллагра – связано с отсутствием в пище
витамина РР – никотиновой кислоты. Упомянем ещё об одном витамине. Он
называется витамином
В2, а по химической природе представляет собой
довольно сложную циклическую структуру – рибофлавин. Авитаминоз В2
связан с тяжёлым поражением кожи лица и глаз. Причина недостаток фермента.
Ферменты также используются в диагностике. Определение активности
ферментов в биологических жидкостях и тканях стало неотъемлемым
средством
лабораторной
диагностических
целей
диагностики
ферментативную
различных
заболеваний.
активность
определяют
Для
почти
исключительно в крови, значительно реже в моче и лишь в отдельных случаях в
тканях. Не все ткани в одинаковой мере синтезируют разные ферменты. Для
печени, например, типична высокая активность одних ферментов, для почек
или скелетных мышц – других. Это явление называют органоспецифичностью
ферментов. Иногда органоспецифичность выражена очень чётко: фермент
содержится только в каком – нибудь одном органе и отсутствует, а других.
Таким образом, врач получает возможность по повышению активности
некоторых ферментов в плазме выявить заболевание, связанные с нарушением
функций
совершенно
определенных
органов.
В
последнее
время
предпринимаются всё более успешные попытки использовать ферменты и для
167
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лечения некоторых болезней. Уже давно некоторые ферменты применяют для
так называемой заместительной терапии – для возмещения дефицита
ферментов, возникающего при некоторых заболеваниях. Особенно успешна
такая терапия при нарушениях функций желудочно-кишечного тракта,
связанных с недостаточной выработкой пищеварительных ферментов. С
успехом применяют ферменты в тех случаях, когда лечение требует разрушить
накопившиеся в большом количестве белковые образования, мешающие
нормальному функционированию тканей. Это бывает при ожогах, гнойных
ранах, гнойно-воспалительных
заболеваниях лёгких, когда в бронхах
скапливается густая масса, препятствующая прохождению воздуха. Наметился
очень перспективный путь применения ферментов для рассасывания сгустков
крови,
образовавшихся
внутри
кровеносных
сосудов.
Такие
сгустки
называются тромбами, они закупоривают сосуд и нарушают кровообращение.
Велико значение ферментов в пищевой промышленности и сельском хозяйстве.
Сыроварение,
виноделие,
производство
кисломолочных
продуктов,
пивоварение, производство колбасных продуктов, хлебопечение, производство
животных жиров, чая, уксуса, лимонной кислоты – всё это и многое другое,
здесь
не
перечисленное
промышленности,
в
–
которых
технологические
главным
процессы
действующим
лицом
пищевой
являются
ферменты. Одна из важнейших проблем пищевой промышленности – это
развитие комплексной переработки сырья и отходов пищевой промышленности
и повышение эффективности этой переработки. Ферментные препараты могут
сказать
здесь
решающее
слово.
Серьёзной
проблемой
в
консервной
промышленности, переработки плодов и овощей является использование семян
и косточек, главная трудность которого состоит в необходимости разрушать
прочную оболочку косточек. И здесь реальную пользу могут принести
препараты ферментов. С помощью ферментных препаратов удаётся уменьшить
расход сырья растительного и животного происхождения, идущего на
приготовления пищевых продуктов. Использование ферментов в сельском
хозяйстве необычайно широко и разнообразно. В растениеводстве селекция
168
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
многих сельскохозяйственных культур направлена на создание сортов,
обогащённых определёнными ферментами. Это имеет значение и для скорости
созревания культур, и для получения более высококачественной продукции, и
для повышения устойчивости растений к изменению погодных условий, к
болезням, к действию вредных насекомых. Специальный интерес представляет
использования ферментов в кормопроизводстве. Агрономы заботятся о том,
чтобы
получить
полноценный
растительный
корм,
содержащий
все
существенные составные части, необходимые для обеспеченья потребностей
животного организма. Вот здесь роль ферментов оказалась особенно
значительной, как в пищевой промышленности. Ферментативные препараты
для производства кормов получают из плесневых грибов и бактерий, но задачи
здесь ставят иные. Для повышения усвояемости грубых кормов необходим
фермент целлюлоза, гидролизирующий клетчатку и повышающий возможность
её переваривания и усвоения, особенно у таких животных, как свиньи, которые
переваривают клетчатку хуже, чем крупный рогатый скот.
169
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8 Биологическое окисление. Основы биоэнергетики.
Компоненты дыхательной цепи. Механизмы окислительного
фосфорилирования. Структура и механизм синтеза АТФ
Катаболизм
органических
веществ
в
тканях
сопровождается
потреблением кислорода и выделением СО2. Этот процесс называют тканевым
дыханием. Кислород в этом процессе используется как акцептор водорода от
окисляемых (дегидрируемых) веществ (субстратов),
в результате
чего
синтезируется вода. Процесс окисления можно представить следующим
уравнением: SH2 + 1/2 O2 à S + H2O. Окисляемые различные органические
вещества (S — субстраты), представляют собой метаболиты катаболизма, их
дегидрирование
является
экзоэргическим
процессом.
Энергия,
освобождающаяся в ходе реакций окисления, либо полностью рассеивается в
виде тепла, либо частично тратится на фосфорилирование ADP с образованием
АТР. Организм превращает около 40 % энергии, выделяющейся при окислении,
в энергию макроэргических связей АТР. Большинство организмов в биосфере
использует этот способ или очень сходный с ним (в качестве терминального
акцептора водорода может быть не кислород, а другое соединение) как
основной источник энергии, необходимый для синтеза внутриклеточной АТР.
Таким путем клетка превращает химическую энергию питательных веществ,
поступивших извне, в утилизируемую метаболическую энергию. Реакция
дегидрирования и способ превращения выделившейся энергии путем синтеза
АТР — это энергетически сопряженные реакции. Целиком весь сопряженный
процесс называется окислительным фосфорилированием ADP:
Окислительное фосфорилирование ADP
Цепь транспорта электронов — ЦТЭ
170
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Указанное выше уравнение для окислительно-восстановительной реакции
представляет собой обобщенную форму, так как изображает процесс окисления
субстратов как прямое дегидрирование, причем кислород выступает в роли
непосредственного акцептора водорода. На самом деле кислород участвует в
транспорте
электронов
иным
образом.
Существуют
промежуточные
переносчики при транспорте электронов от исходного донора электронов SH2 к
терминальному акцептору — О2.
Полный
процесс
представляет
окислительно-восстановительных
собой
реакций,
в
цепь
ходе
последовательных
которых
происходит
взаимодействие между переносчиками. Каждый промежуточный переносчик
вначале выступает в роли акцептора электронов и протонов и из окисленного
состояния переходит в восстановленную форму. Затем он передает электрон
следующему переносчику и снова возвращается в окисленное состояние. На
последней стадии переносчик передает электроны кислороду, который затем
восстанавливается до воды. Совокупность последовательных окислительновосстановительных
реакций
называется
цепью
переноса
(транспорта)
электронов, или дыхательной цепью (рисунок 28).
SH2 — исходный донор протонов и электронов;
P — промежуточные переносчики;
E1, E2, E3, E4 — ферменты окислительно-восстановительных реакций.
Рисунок 28 - Перенос электронов и протонов с участием промежуточных
переносчиков
171
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Промежуточными переносчиками в дыхательной цепи у высших
организмов являются коферменты: NAD+ (никотинамид—адениндинуклеотид),
FAD и FMN (флавинадениндинуклеотид и флавинмононуклеотид), кофермент
Q (CoQ), семейство гемсодержащих белков — цитохромов (обозначаемых как
цитохромы b, С1, С, А, А3) и белки, содержащие негеминовое железо. Все
участники этой цепи разделены на четыре окислительно-восстановительные
системы, связанные убихиноном (CoQ) и цитохромом С. Процесс начинается с
переноса протонов и электронов от окисляемого субстрата на коферменты
NAD+ или FAD. Это определяется тем, является ли дегидрогеназа,
катализирующая первую стадию, NAD — зависимой или FAD — зависимой.
Если процесс начинается с NAD+ , то следующим переносчиком будет FMN
(рисунок 29).
Рисунок 29 - Последовательность промежуточных
переносчиков протонов и электронов в дыхательной цепи
Тип участвующей дегидрогеназы зависит от природы субстрата. Но
каким бы ни был исходный субстрат, электроны и протоны от флавинов
переносятся к коферменту Q, а дальше пути электронов и протонов расходятся.
172
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Электроны с помощью системы цитохромов достигают кислорода, который
затем, присоединяя протоны, превращается в воду. Чтобы разобраться в
системе транспорта электронов, необходимо познакомиться с отдельными ее
участниками.
NAD
—
зависимая
дегидрогеназа
катализирует реакции
окисления непосредственно субстрата (первичная дегидрогеназа). NAD+
является коферментом и выполняет роль акцептора водорода (рисунок 30).
Символ 2Н+ означает два
электрона и два протона, обычно
переносимые в виде гидрид иона. В
этом
случае
вместо
терминов
Lдонор электронов¦ и Lакцептор
электронов¦
термины
водорода¦.
иногда
Lдонор
FAD
дегидрогеназа
используют
или
акцептор
—
зависимая
также
выполняет
функцию первичной дегидрогеназы.
Рисунок 30 - Коферменты дегидрогеназа
Коферментом является FAD, который является акцептором водорода от
субстрата. NADH — дегидрогеназа катализирует окисление NADH и
восстановление убихинона (CoQ). Переносчиком водорода является кофермент
— FMN (комплекс 1). В процессе реакции водород сначала присоединяется к
FMN, соединенному с ферментом, а затем передается на убихинон.
Флавиновые коферменты (FAD и FMN) прочно связаны с ферментом как
простетические группы, поэтому ферменты, в состав которых они входят,
называются флавопротеины. Флавинмононуклеотид (FMN), или рибофлавин
фосфат, неразрывно связан с белковой частью фермента. Строго говоря, FMN
не является нуклеотидом, так как флавиновая часть связана с рибитолом, а не с
рибозой.
Убихинон (кофермент Q) — производное изопрена.
173
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Название
Lубихинон
возникло
из—за
его
повсеместной
распространенности в природе. Кофермент Q действует как переносчик
электронов на цитохромы.
Цитохромы — это гемопротеины — белки, содержащие в качестве
прочно связанной простетической группы гемм (рисунок 31).
Рисунок 31 - Простетическая группа гема в структуре цитохромов
Атом железа в геме может менять валентность, присоединяя или отдавая
электроны.
В дыхательной цепи цитохромы служат переносчиками электронов и
располагаются соответственно величине окислительно—восстановительного
потенциала следующим образом: B, С1, С, а, а3. Гемовые группы цитохромов
связаны с белковой частью донорно—акцепторными связями между ионом
железа и соответствующими аминокислотными остатками (рисунок 32).
Рисунок 32 -Связывание гема с белковой частью цитохрома С
174
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В цитохромах С и С1 дополнительные ковалентные связи формируются
между тиогруппами цистеина и боковыми винильными группами гема. QН2—
дегидрогеназа (комплекс III) представляет собой комплекс цитохромов b и С1.
Этот фермент катализирует окисление восстановленного кофермента Q и
перенос электронов на цитохром С. Электроны последовательно переносятся
атомами железа цитохромов b и С1, а затем поступают на цитохром С. Протоны
после окисления QH2 освобождаются в раствор.
Цитохромоксидаза включает комплекс цитохромов а и а3 (комплекс IV).
Цитохромоксидаза кроме гема содержит ионы меди, которые способны менять
валентность и таким способом участвовать в переносе электронов.
Цитохромоксидаза переносит электроны с цитохрома С на кислород. В
переносе электронов участвуют сначала ионы железа цитохромов а и а3, а затем
ион меди цитохрома а3. Молекула кислорода связывается с железом в геме
цитохрома а3. Следовательно, переход электронов на кислород с иона меди
цитохрома а3, происходит на молекуле фермента. Каждый из атомов молекулы
кислорода присоединяет по два электрона и протона, образуя при этом
молекулу воды.
Белки, содержащие негеминовое железо. Некоторое количество атомов
железа в митохондриях связано не в геме цитохромов, а образует комплексы с
другими белками. Эти белки называют также железосерными, так как атомы
железа связаны с атомами серы цистеиновых остатков. Белки, содержащие
негеминовое железо, участвуют в переносе электронов на нескольких стадиях,
однако, не совсем ясны их локализация и механизм действия.
175
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8. 1 Окислительное фосфорилирование
Энергия, образующаяся при прохождении потока электронов по
дыхательной цепи, используется для сопряженного фосфорилирования ADP.
Эти два процесса взаимозависимы: окисление не может протекать в отсутствии
ADP.
Соотношение
окисления
и
фосфорилирования
определяется
коэффициентом P/O (количество моль фосфорилированного ADP на 1/2 моль
кислорода) коэффициент Р/О называется коэффициентом окислительного
фосфорилирования
и зависит от точки
вхождения
восстановительных
эквивалентов в цепь транспорта электронов. Например Р/О=3, для субстратов,
окисляемых NAD — зависимой дегидрогеназой , так как в дыхательной цепи
есть три участка, где перенос электронов сопряжен с синтезом АТР. Не все
субстраты передают электроны и протоны на NAD, некоторые окисляются FAD
— зависимыми дегидрогеназами, которые переносят протоны и электроны
сразу на убихинон, минуя первый комплекс. В этом случае Р/О=2. В
действительности
коэффициент
фосфорилирования
всегда
меньше
теоретической величины, потому что часть энергии, высвобождающейся при
транспорте электронов, расходуется не на синтез АТР, а для переноса веществ
через митохондриальную мембрану.
В сутки человек потребляет в среднем 27 моль кислорода. Основное его
количество (примерно 25 моль) используется в митохондриях в дыхательной
цепи. Следовательно, ежесуточно синтезируется 125 моль ATP или 62 кг (при
расчете использовали коэффициент Р/О=2,5, то есть среднее значение
коэффициента
фосфорилирования).
Масса
всей
АТР,
содержащейся
в
организме, составляет примерно от 20 г до 30 г. Следовательно, можно сделать
вывод, что каждая молекула АТР за сутки 2500 раз проходит процесс гидролиза
и синтеза, что и характеризует интенсивность обмена АТР.
176
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8.2 Сопряжение работы дыхательной цепи с процессом синтеза АТР
В цитоплазме каждой клетки, а также в митохондриях, хлоропластах и
ядрах содержится аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Она поставляет
энергию для большинства реакций, происходящих в клетке. С помощью АТФ
клетка синтезирует новые молекулы белков, углеводов, жиров, избавляется от
отходов, осуществляет активный транспорт веществ, биение жгутиков и
ресничек и т. д. Молекула АТФ представляет собой нуклеотид, образованный
азотистым основанием аденином, пятиуглеродным сахаром рибо-зой и тремя
остатками фосфорной кислоты. Фосфатные группы в молекуле АТф соединены
между собой высокоэнергетическими (макроэргическими) связями (в формуле
обозначены символом ~).
Связи между фосфатными группами не очень прочные, и при их разрыве
выделяется большое количество энергии. В результате гидролитического
отщепления от АТФ фосфатной группы образуется аденозиндифосфорная
кислота (АДФ) н высвобождается порция энергии.
АДФ также может подвергаться дальнейшему гидролизу с отщеплением
еще одной фосфатной группы и выделением второй порции энергии; при этом
АДФ преобразуется в аденозин-монофосфат (АМФ), который далее не
гидролизуется.
АТФ образуется из АДФ и неорганического фосфата за счет энергии,
освобождающейся при окислении органических веществ и в процессе
фотосинтеза. Этот процесс называется фосфорили-рованием. При этом должно
177
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
быть затрачено не менее 40 кДж/моль энергии, которая аккумулируется в
макроэргических связях:
Следовательно, основное значение процессов дыхания и фотосинтеза
определяется тем, что они поставляют энергию для синтеза АТФ, с участием
которой в клетке выполняется большая часть работы. Таким образом, АТФ это главный универсальный поставщик энергии в клетках всех живых
организмов.
АТФ чрезвычайно быстро обновляется. У человека, например,
каждая молекула АТФ расщепляется и вновь восстанавливается 2 400 раз в
сутки, так что ее средняя продолжительность жизни менее 1 мин.
Синтез АТФ осуществляется главным образом в митохондриях и
хлоропластах
(частично
в
цитоплазме).
Образовавшаяся
здесь
АТФ
направляется в те участки клетки, где возникает потребность в энергии.
Существование сопряжения работы дыхательной цепи с процессом синтеза
АТР доказывается тем, что можно ингибировать образование АТР, не нарушая
процесса транспорта электронов. Это достигается добавлением химических
веществ, названных разобщителями. После удаления разобщителей синтез АТР
восстанавливается.
Изучение механизма сопряжении дает ответ на основные вопросы: Каким
образом транспорт электронов служит источником энергии? Как эта энергия
передается в реакцию ADP + Pi a АТР?
Существует несколько гипотез,
объясняющих механизм сопряжения. Одной из них является хемоосмотическая
теория. Цепь транспорта электронов функционирует как протонная (Н+)помпа,
осуществляя перенос протонов из матрикса через внутреннюю мембрану в
межмембранное пространство. Эндоэргический процесс выброса протонов из
матрикса возможен за счет экзоэргических окислительно—восстановительных
реакций дыхательной цепи.
Перенос протонов приводит к возникновению разности концентрации Н+
с двух сторон митохондриальной мембраны: более высокая концентрация будет
снаружи и более низкая — внутри. Митохондрия в результате переходит в
178
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Lэнергизованное¦ состояние, так как возникает градиент концентрации Н+ и
одновременно разность электрических потенциалов со знаком плюс на
наружной поверхности. Электрохимический потенциал способен совершать
Lполезную¦ работу, он заставляет протоны двигаться в обратном направлении,
но мембрана непроницаема для них кроме отдельных участков, называемых
протонными каналами.
Обратный перенос протонов в матрикс является экзоэргическим
процессом,
высвобождающаяся
при
этом
энергия
используется
на
фосфорилирование ADP. Эту реакцию катализирует фермент Н+—АТР—
синтетаза, располагающаяся в области протонных каналов на внутренней
поверхности внутренней мембраны (рисунки 33,34).
Рисунок 33 – Сопряжение цепи транспорта электронов
и фосфорилирования ADP посредством протонного градиента
Рисунок 34 - Структура компонентов комплекса I, обеспечивающего
функционирование Lпротонной помпы¦ при окислении NADH
179
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8.3 Разобщение дыхания и фосфорилирования
Убедительные экспериментальные доказательства в пользу описанного
механизма сопряжения дыхания и фосфорилирования были получены с
помощью ионофоров. Молекулы этих веществ, как правило, липофильны и
способны переносить ионы через мембрану. Например, 2,4—динитрофенол
(протонофор) легко диффундирует через мембрану, в ионизированной и
неионизированной
форме,
перенося
протоны
в
сторону
их
меньшей
концентрации в обход протонных каналов. Таким образом, 2,4—динитрофенол
уничтожает
электрохимический
потенциал,
и
синтез
АТР
становится
невозможным, хотя окисление субстратов при этом происходит. Энергия
дыхательной цепи в этом случае полностью рассеивается в виде теплоты. Этим
объясняется пирогенное действие разобщителей. Разобщающим действием
обладают гормон щитовидной железы — тироксин, а также некоторые
антибиотики, такие как валиномицин и грамицидин.
Скорость дыхания
митохондрий может контролироваться концентрацией ADP. Это объясняется
тем, что окисление и фосфорилирование жестко сопряжены. Энергия,
необходимая клетке для совершения работы, поставляется за счет гидролиза
АТР. Концентрация ADP при этом увеличивается; в результате создаются
условия для ускорения дыхания, что и ведет к восполнению запасов АТР.
Ингибиторы цепи транспорта электронов и окислительного фосфорилирования.
Ингибиторы, блокирующие дыхательную цепь, действуют в определенных
местах, препятствуя работе дыхательных ферментов (KCN, барбитураты,
ротенон).
Существуют
фосфорилирование.
180
также
вещества,
ингибирующие
окислительное
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9 Анаболизм, катаболизм углеводов. Аэробное окисление
углеводов. Цикл трикарбоновых кислот
В живых организмах любой процесс сопровождается передачей
энергии.
Энергию
определяют,
как
способность
совершать
работу.
Специальный раздел физики, который изучает свойства и превращения энергии
в различных системах, называется термодинамикой. Под термодинамической
системой
понимают
совокупность
объектов,
условно
выделенных
из
окружающего пространства.
Обмен веществ и энергии - это совокупность физических, химических
и физиологических процессов превращения веществ и энергии в живых
организмах, а также обмен веществами и энергией между организмом и
окружающей средой. Обмен веществ у живых организмов заключается в
поступлении из внешней среды различных веществ, в превращении и
использовании
их
в
процессах
жизнедеятельности
и
в
выделении
образующихся продуктов распада в окружающую среду.
Все происходящие в организме преобразования вещества и энергии
объединены общим названием - метаболизм (обмен веществ). На клеточном
уровне эти преобразования осуществляются через сложные последовательности
реакций, называемые путями метаболизма, и могут включать тысячи
разнообразных реакций. Эти реакции протекают не хаотически, а в строго
определенной последовательности и регулируются множеством генетических и
химических механизмов. Метаболизм складывается из двух процессов,
одновременно протекающих в клетке, – катаболизма и анаболизма.
Катаболизм, или диссимиляция,
совокупность
реакций,
в
которых
или энергетический обмен –
происходит
расщепление
сложных
органических молекул до более простых конечных продуктов (метаболитов);
при этом высвобождающаяся во время расщепления химическая энергия
запасается в доступной для использования клеткой форме.
Энергетический обмен состоит из 3 этапов:
181
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1) подготовительный: происходит расщепление высокомолекулярных
органических веществ до низкомолекулярных в процессе гидролиза, идущего
при участии воды. Он протекает в пищеварительном тракте, а на клеточном
уровне – в лизосомах. Вся энергия, выделяющаяся на подготовительном этапе,
рассеивается в виде тепла:
 белки + Н2О → аминокислоты + Q (тепло);
 углеводы + Н2О → глюкоза + Q (тепло);
 жиры + Н2О → глицерин и жирные кислоты + Q (тепло);
2) гликолиз, бескислородное окисление. Процесс гликолиза протекает в
цитоплазме. Глюкоза расщепляется до 2 молекул пировиноградной кислоты
(ПВК), которые в зависимости от типа клеток и организмов могут
превращаться в молочную кислоту, спирт или другие органические соединения.
При этом выделяющаяся энергия частично запасается в виде 2 молекул АТФ, а
частично расходуется в виде тепла. Бескислородные процессы называются
брожением.
С6Н12О6 → 2 С3Н4О3 + 4 Н → 2 С3Н6О3 (или 2 С2Н5ОН + 2 СО2);
3) кислородный – дыхание. Биологическое окисление протекает в
митохондриях. ПВК поступает в митохондрию, где преобразуется в уксусную
кислоту, соединяется с ферментом-переносчиком и входит в цикл Кребса. В
результате этих реакций при участии кислорода образуются углекислый газ и
вода, а на кристах митохондрий за счет выделяющейся энергии синтезируется
36 молекул АТФ.
2 С3Н4О3 + 6 О2 + 4 Н → 6 СО2 + 6 Н2О
Суммарное уравнение энергетического обмена выглядит следующим
образом:
С6Н12О6 + 6 О2 → 6 СО2 + 6 Н2О + Q (тепло) + 38 АТФ
Анаболизм, или ассимиляция, или пластический обмен – это
совокупность реакций, в которых из малых молекул-предшественников или
мономерных "строительных блоков" синтезируются белки, нуклеиновые
182
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
кислоты, липиды, полисахариды и прочие клеточные компоненты; эти реакции
требуют затраты энергии для своего осуществления.
Пластический обмен включает в себя 2 важнейших биологических
процесса – фотосинтез и биосинтез белка.
Фотосинтез – процесс первичного синтеза органических веществ из
неорганических (углекислого газа и воды) под действием солнечного света.
Протекает у растений в хлоропластах. Выделяют 2 фазы фотосинтеза:
1) световая фаза. Протекает на мембранах тилакоидов хлоропластов
только при участии солнечного света. За счет энергии солнца протекает 3
группы реакций:

возбуждение хлорофилла, отрыв электронов и синтез АТФ за счет
энергии возбужденных электронов;

фотолоиз воды – расщепление молекул воды;

связывание ионов водорода с переносчиком НАДФ;
2) темновая фаза. Протекает в строме хлоропластов. Наличие света
необязательно. Источником энергии являются синтезированные в световой
стадии молекулы АТФ. Происходит фиксация углерода.
Суммарное уравнение фотосинтеза.
6 СО2 + 6 Н2О → С6Н12О6 + 6 О2↑
Аэробное окисление углеводов - основной путь образования энергии для
организма. Непрямой - дихотомический и прямой - апотомический.
Прямой путь распада глюкозы – пентозный цикл – приводит к
образованию пентоз и накоплению НАДФН2. Пентозный цикл характеризуется
последовательным отщеплением от молекул глюкозы каждого из ее 6 атомов
углерода с образованием в течение одного цикла по 1 молекуле углекислого
газа и воды. Распад всей молекулы глюкозы происходит в течение 6
повторяющихся циклов.
Значение пентозофосфатного цикла окисления углеводов в обмене
веществ велико:
183
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1) он поставляет восстановленный НАДФ, необходимый для биосинтеза
жирных кислот, холестерина и т.д. За счет пентозного цикла на 50 %
покрывается потребность организма в НАДФН2;
2) поставка пентозофосфатов для синтеза нуклеиновых кислот и многих
коферментов.
Реакции пентозного цикла протекают в цитоплазме клетки.
При ряде патологических состояний удельный вес пентозного пути
окисления глюкозы возрастает.
Непрямой путь – распад глюкозы до углекислого газа и воды с
образованием 36 молекул АТФ.
1 Распад глюкозы или гликогена до пировиноградной кислоты.
2 Превращение пировиноградной кислоты в ацетил- КоА.
Окисление ацетил-КоА в цикле Кребса до углекислого газа и воды
С6Н12О6 + 6 О2
6 СО2+ 6 Н2О + 686 ккал
В случае аэробного превращения пировиноградная кислота подвергается
окислительному декарбоксилированию с образованием ацетил- КоА, который
затем окисляется до углекислого газа и воды.
Окисление
пирувата
до
ацетил-КоА,
катализируется
пируватдегидрогеназной системой и протекает в несколько стадий. Суммарно
реакция:
Пируват + НАДН + НS-КоА
ацетил- КоА+ НАДН2 + СО2 реакция
практически необратима
Полное окисление ацетил-КоА происходит в цикле трикарбоновых
кислот или цикле Кребса. Этот процесс протекает в митохондриях.
Цикл состоит из 8 последовательных реакций:
В этом цикле, молекула, содержащая 2 атома углерода (уксусная кислота
в форме ацетил-КоА) реагирует с молекулой щавелевоуксусной кислоты, в
результате чего образуется соединение с 6 атомами углерода – лимонная
кислота.
В
подготовительной
184
процессе
реакции
дегидрирования,
лимонная
кислота
декарбоксилирования
вновь
превращается
и
в
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
щавелевоуксусную кислоту, которая легко соединяется с другой молекулой
ацетил- КоА:
1) ацетил-КоА + оксалоацетат (ЩУК)
лимонная кислота
цитратсинтаза;
2) лимонная кислота
изолимонная кислота
аконитатгидратаза;
3)изолимонная к-та+НАД
-кетоглутаровая к-та+НАДН2+ СО2
изоцитратдегидрогеназа;
4) -кетоглутаровая к-та+НS-КоА+НАД сукцинилSКоА+НАДН2+ СО2;
5) сукцинил-КоА+ГДФ+Фн янтарная кислота+ГТФ+НS-КоА
сукцинил КоА синтетаза;
6) янтарная кислота+ФАД фумаровая кислота+ФАДН2
сукцинатдегидрогеназа;
7) фумаровая кислота+ Н2О
L яблочная кислота
фумаратгидратаза;
8) малат+ НАД оксалоацетат+ НАДН2
малатдегидрогеназа.
Итого при расщеплении в тканях молекулы глюкозы синтезируется 36
молекул
АТФ.
Несомненно,
это
в
энергетическом
отношении
более
эффективный процесс чем гликолиз.
Цикл Кребса – общий конечный путь, которым завершается обмен
углеводов, жирных кислот и аминокислот (рисунок 35). Все эти вещества
включаются в цикл Кребса на том или другом этапе. Далее происходит
биологическое окисление или тканевое дыхание, главной особенностью
которого является то, что оно протекает постепенно, через многочисленные
ферментативные стадии. Этот процесс происходит в митохондриях, клеточных
органеллах, в которых сосредоточено большое количество ферментов. В
процессе участвуют пиридинзависимые дегидрогеназы, флавинзависимые
185
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дегидрогеназы, цитохромы, коэнзим Q – убихинон, белки, содержащие
негеминовое железо.
Интенсивность дыхания управляется соотношением АТФ/АДФ. Чем
меньше это отношение, тем интенсивнее идет дыхание, обеспечивая выработку
АТФ.
Также цикл лимонной кислоты является в клетке главным источником
двуокиси углерода для реакций карбоксилирования, с которых начинается
синтез жирных кислот и глюконеогенез. Та же двуокись углерода поставляет
углерод для мочевины и некоторых звеньев пуриновых и пиримидиновых
колец.
Взаимосвязь между процессами углеводного и азотистого обмена также
достигаются посредством промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты.
Существует несколько путей, по которым промежуточные продукты
цикла лимонной кислоты включаются в процесс липогенеза. Расщепление
цитрата
приводит
к
образованию
ацетил-КоА,
играющего
роль
предшественника в биосинтезе жирных кислот.
Изоцитрат
и
малат
обеспечивают
образование
НАДФ,
который
расходуется в последующих восстановительных этапах синтеза жиров.
Роль ключевого фактора, определяющего превращение НАДН играет
состояние адениннуклеотидов. Высокое содержание АДФ и низкое АТФ
свидетельствует о малом запасе энергии. При этом НАДН вовлекается в
реакции дыхательной цепи, усиливая сопряженные с запасанием энергии
процессы окислительного фосфорилирования. Обратное явление наблюдается
при низком содержании АДФ и высоком АТФ. Ограничивая работу системы
переноса электронов, они способствуют использованию НАДН в других
восстановительных реакциях, таких как синтез глутамата и глюконеогенез.
186
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 35 - Цикл Кребса (лимоннокислый цикл)
187
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10 Обмен липидов. Переваривание и всасывание липидов
пищи. Транспорт липидов. Внутриклеточный обмен липидов.
Кетоновые тела. Регуляция липидного обмена
10.1 Превращение липидов в процессе пищеварения
Липиды,
представляющие большую биологическую ценность для
организма человека (триацилглицерины,
фосфолипиды,
холестерин и др.),
поступают в него как компоненты пищи биологического происхождения.
Для
переваривания
липидов
в
желудочно-кишечном
тракте
необходимыми являются следующие условия:
1) наличие гидролизующих липиды липолитических ферментов;
2) оптимальное для проявления высокой каталитической активности
липолитических
ферментов
значение
рН
среды
(нейтральное
или
слабощелочное);
3) наличие эмульгаторов.
Все перечисленные условия создаются в кишечнике человека. Слюнные
железы не способны продуцировать ферменты, гидролизующие жиры,
вследствие чего в ротовой полости заметного переваривания жиров не
происходит. В желудке взрослого человека переваривания жиров также не
происходит, так как рН желудочного сока близок к 1,5, а оптимум рН среды
для действия желудочного липолитического фермента – липазы находится в
пределах
5,5–7,5.
Следует
отметить,
что
рН
желудочного
сока
у
новорожденных детей составляет около 5,0, что способствует перевариванию
эмульгированных
триацилглицеринов
молока
желудочной
липазой.
В
кишечнике происходит нейтрализация соляной кислоты желудочного сока
бикарбонатами кишечного сока и эмульгирование жиров.
Эмульгирование липидов осуществляется выделяющимися в процессе
нейтрализации пузырьками СО2 с участием натриевых или калиевых солей
188
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
желчных кислот – холевой, 7-дезоксихолевой, глицинхолевой, таурохолевой и
других в качестве поверхностно-активных веществ. Желчные кислоты
поступают в кишечник из желчного пузыря в составе желчи. Эмульгированию
способствуют также соли жирных кислот (мыла), образующиеся при гидролизе
липидов. Но основная роль поверхностно активных веществ в эмульгировании
жиров принадлежит желчным кислотам.
Анионы желчных кислот резко уменьшают поверхностное натяжение на
границе раздела фаз жир – вода, стабилизируют образовавшуюся эмульсию и
образуют с жирными кислотами транспортный комплекс, в составе которого
осуществляется их всасывание в стенки кишечника. Кроме того, желчные
кислоты выполняют функцию активаторов липолитических ферментов.
Триацилглицерины,
составляющие
основную
массу
липидов
пищи,
гидролизуются под действием панкреатической липазы, которая поступает в
кишечник в неактивном виде, а затем активируется желчными кислотами.
Активная
липаза
гидрофобную
имеет
головку,
гидратированный
гидрофильный
контактирующую
с
участок
триацилглицеринами
и
на
поверхности раздела фаз, где и происходит постадийный гидролиз.
В
ходе
гидролиза
на
сложноэфирные связи 1 и 3,
моноацилглицерина.
первых
стадиях
быстро
гидролизуются
а затем медленно идет гидролиз 2-
Образующийся
2-моноацилглицерин
затем
может
всасываться стенкой кишечника и использоваться на ресинтез специфических
для данного вида организмов триацилглицеринов (см. ниже).
В гидролизе фосфолипидов принимают также участие фосфолипазы.
Потупающие с пищей эфиры холестерина, которыми богаты некоторые
продукты (желток яиц,
сливочное масло, икра и др.),
холестеролэстеразой
свободного
до
холестерина
и
гидролизуются
жирных
кислот.
189
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Холестеролэстераза проявляет свою активность только в присутствии желчных
кислот.
Продукты гидролитического расщепления всех пищевых липидов
всасываются в кишечнике. Глицерин и жирные кислоты с короткой углеродной
цепью (до 10–12 атомов С) хорошо растворимы в воде и переходят в кровь в
виде водного раствора. Длинноцепочечные жирные кислоты (более 14 атомов
С) и моноацилглицерины не растворимы в воде, поэтому всасываются при
участии желчных кислот, фосфолипидов и холестерина, образующих в
кишечнике смесь состава 12,5 : 2,5 : 1,0, соответственно. В результате
формируются мицеллы из продуктов гидролиза липидов, окруженных
гидрофильной оболочкой из холестерина, фосфолипидов и желчных кислот. В
последующем мицеллы распадаются, желчные кислоты снова возвращаются в
кишечник, совершая 5–6 таких циклов ежесуточно.
Липиды,
прежде
чем
поступить
в
лимфу,
в кишечной стенке
подвергаются ресинтезу, т.е. превращению в триацилглицерины. Важность
этого процесса заключается в том, что вновь синтезированные специфические
жиры отличаются по физико-химическим показателям от пищевых липидов и
наиболее пригодны для данного организма. Поскольку все различия в составе
триацилглицеринов определяются составом жирных кислот, то при ресинтезе
липидов используются собственные жирные кислоты с длинной цепью,
которые синтезируются в кишечнике из предшественников (лишь часть
всосавшихся жирных кислот пригодна для ресинтеза). Жирные кислоты
образуют
ацил-КоА,
моноацилглицерин
при
а
затем
участии
ацильные
остатки
трансацилаз,
с
переносятся
на
последовательным
образованием из моноацилглицерина ди- и триацилглицеринов.
Транспорт холестерина и ресинтезированных липидов осуществляется
в составе липопротеинов, белковая часть которых (аполипопротеина) придает
им растворимость в водных средах.
Основные метаболические пути жирных кислот, образующиеся при
гидролизе триацилглицеринов пищи, представлены на рисунке 36.
190
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 36 – Гидролиз триацилглицеринов пищи
10.2 Внутриклеточный гидролиз липидов
В тканях происходит непрерывное обновление липидов. Период
полупревращения триацилглицеринов, играющих важную энергетическую роль
в организме, колеблется от 2 до 18 суток. Другие липиды (фосфо-, сфинго-,
гликолипиды и холестерин) преимущественно выполняют роль компонентов
биологических мембран и обновляются менее интенсивно. Обновление
липидов требует их предварительного внутриклеточного ферментативного
гидролиза – липолиза.
Принято считать, что триацилглицерины выполняют в обмене липидов
роль, аналогичную той, которую выполняет гликоген в обмене углеводов, а
высшие жирные кислоты по своей энергетической ценности напоминают
глюкозу. При физической нагрузке и других состояниях организма, требующих
повышенных
энергетических
затрат,
увеличивается
потребление
триацилглицеринов жировой ткани как энергетического резерва. Однако в
191
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
качестве источника энергии могут использоваться только свободные жирные
кислоты. Поэтому триацилглицерины сначала гидролизуются до глицерина и
свободных жирных кислот под действием специфических тканевых липаз. Этот
процесс контролируется центральной нервной системой и запускается с
помощью
ряда
гормонов
(адреналин,
норадреналин
и
др
Триацилглицеринлипаза расщепляет триацилглицерин на диацилглицерин и
жирную кислоту. Затем при действии ди- и моноацилглицеринлипаз
происходит
дальнейший
липолиз
до
глицерина
и
жирных
кислот.
Образующийся в результате липолиза глицерин может участвовать в
глюконеогенезе или включаться в гликолиз с предварительным образованием
глицерол-3-фосфата под действием глицеролкиназы и при участии АТФ.
Затем под действием дегидрогеназы глицерол-3-фосфат превращается в
трио-зофосфаты, которые, собственно, и вовлекаются в глюконеогенез или
гликолиз. Жирные кислоты в составе белкового комплекса с альбумином крови
поступают в клетки различных тканей и органов, где подвергаются окислению.
10.3 Биоокисление жирных кислот
Окисление жирных кислот в организмах– чрезвычайно важный процесс,
он может протекать по α-, β- и ω-углеродным атомам жирных кислот. Основной
путь окисления жирных кислот как в животных, так и в растительных
тканях – это β-окисление.
β-Окисление жирных кислот. β-Окисление жирных кислот было впервые
изучено в 1904 г. Ф. Кноопом. В дальнейшем было установлено, что βокисление осуществляется только в митохондриях. Благодаря работам Ф. Ли-
192
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нена с сотрудниками (1954–1958 гг) были выяснены основные
ферментативные процессы окисления жирных кислот. В честь ученых,
открывших данный путь окисления жирных кислот, процесс β-окисление
получил название цикла Кноопа-Линена.
По современным представлениям, процессу окисления жирных кислот
предшествует их активация в цитоплазме с участием ацил-КоА-синтетазы и с
использованием энергии АТФ.
R–COOH + HS–КоА + АТФ → RCO–S–КоА + АМФ + Н4Р2О7
В форме ацил-КоА жирные кислоты поступают в митохондрии, в
матриксе
которых
последовательность
они
подвергаются
нижеприведенных
β-окислению,
включающему
ферментативных
окислительно-
восстановительных реакций.
Первой реакцией на пути расщепления жирных кислот является
дегидрирование
с
образованием
транс-2,3-ненасыщенных
производных,
катализируемое различными ФАД-содержащими ацил-КоА-дегидрогеназами.
Вторая реакция – гидратация двойной связи – катализируется еноил-КоА
– гидратазой.
На следующей (третьей) стадии происходит дегидрирование спиртового
фрагмента,
которое осуществляется соответствующей дегидрогеназой и
окисленной формой кофермента НАД.
193
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В результате окисления образуется β-оксокислота, из-за чего весь процесс
в целом и получил название β-окисления.
Четвертая, последняя реакция, катализируемая тиолазой, сопровождается
окислительно-восстановительным расщеплением связи Сα–Сβ с отщеплением
ацетил-КоА и присоединением остатка КоА по месту разрыва межуглеродной
связи.
Эта реакция носит название тиолиза и является высоко экзергонической,
поэтому равновесие в ней всегда смещено в сторону образования продуктов.
Последовательное повторение этого цикла реакций приводит к полному
распаду жирных кислот с четным числом атомов углерода до ацетил-КоА. В
результате этого процесса образуются ацетил-КоА, ФАДН2 и НАД·Н. Далее
ацетил-КоА вступает в цикл Кребса, а восстановленные коферменты – в
дыхательную цепь.
Особенности окисления жирных кислот с нечетным числом углеродных
атомов заключается в том, что наряду с обычными продуктами окисления,
образуется одна молекула СН3–СН2–СО~SКоА (пропионил-КоА), которая в
процессе карбоксилирования переводится в сукцинил-КоА,
поступающий в
цикл Кребса.
Особенности окисления ненасыщенных жирных кислот определяются
положением и числом двойных связей в их молекулах. До места двойной связи
ненасыщенные жирные кислоты окисляются так же, как и насыщенные. Если
двойная связь имеет ту же транс-конфигурацию и расположение, что и еноилКоА, то далее окисление идет по обычному пути. В противном случае в
реакциях участвует дополнительный фермент, который перемещает двойную
связь в нужное положение и изменяет конфигурацию молекулы кислоты. При
β-окислении жирных кислот выделяется большое количество энергии. При
194
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
полном окислении одного моля жирной кислоты, содержащей 2n атомов
углерода, образуется n молей ацетил-КоА и (n–1) молей (ФАДН2 + НАДН).
Окисление ФАДН2 дает 2АТФ, а при окислении НАДН образуется
3АТФ. Полное сгорание одного моля ацетил-КоА приводит к образованию 12
молей АТФ.
195
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С учетом того, что 1 моль АТФ затрачивается на активацию жирной
кислоты, баланс АТФ при полном окислении жирной кислоты с четным числом
атомов углерода можно выразить следующей формулой.
5(n – 1) + 12n –1 = (17n – 6)АТФ
Например, моль пальмитиновой кислоты, содержащая 16 атомов
углерода, при окислении дает 130 молей АТФ. Таким образом, энергетическая
ценность жирных кислот намного выше, чем глюкозы. Однако в процессе
окисления глюкозы образуется оксалоацетат, который облегчает включение
ацетильных остатков жирных кислот в цикл Кребса. В связи с этим, в
биохимической литературе бытует выражение, что «жиры сгорают в пламени
углеводов».
α-Окисление жирных кислот. Наряду с β-окислением жирные кислоты с
достаточно большим числом атомов углерода (С13–С18) могут подвергаться αокислению. Этот тип окисления особенно характерен для растительных тканей,
но может происходить и в некоторых тканях животных. α-Окисление имеет
циклический характер, причем цикл состоит из двух реакций.
Первая реакция заключается в окислении жирной кислоты пероксидом
водорода в соответствующий альдегид и СО2
с участием специфической
пероксидазы.
В результате этой реакции углеводородная цепь укорачивается на один
атом углерода.
Суть
второй
реакции
заключается
в
гидратации
и
окислении
образовавшегося альдегида в соответствующую карбоновую кислоту под
действием альдегиддегидрогеназы, содержащей окисленную форму кофермента
НАД.
196
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Затем цикл α-окисления повторяется снова. В сравнении с β-окислением
α- окисление энергетически менее выгодно.
ω-Окисление жирных кислот. В печени животных и у некоторых
микроорганизмов существует ферментная система,
окисление
жирных
кислот,
т.е.
окисление
по
обеспечивающая ωконцевой
СН3-группе,
обозначаемой буквой ω. Сначала под действие монооксигеназы происходят
гидроксилирование с образованием ω-оксикислоты.
Затем ω-оксокислота окисляется в ω-дикарбоновую кислоту под
действием соответствующей дегидрогеназы.
Полученная таким образом ω-дикарбоновая кислота укорачивается с
любого конца с помощью реакций β-окисления.
10.4 Биосинтез кетоновых тел
Окисление жирных кислот в нормальном режиме протекает без
существенного накопления промежуточных продуктов, в частности, ацетилКоА. Однако при некоторых патологических состояниях организма (сахарный
диабет) и при резких изменениях в питании (голодание, диеты) происходит
накопление в крови так называемых кетоновых (или ацетоновых) тел. К ним
относятся
три
вещества:
ацетоуксусная
кислота
(ацетоацетат),
β-
гидроксимасляная кислота (β-гидроксибутират) и ацетон. Они являются
недоокисленными промежуточными продуктами распада жирных кислот и, в
основном, образуются в печени из ацетил-КоА. В нормальном режиме работы
метаболических
путей
периферическим органам,
кетоновые
тела
с
кровью
доставляются
к
где окисляются в цикле Кребса. Но потеря
организмом способности к утилизации этих веществ (кетоз) приводит к их
197
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
значительному накоплению в крови (кетонемия) и в моче (кетонурия), что
является диагностическим признаком ряда заболеваний.
Ацетоацетат синтезируется из двух молекул ацетил-КоА по реакции,
катализируемой ацетил-КоА–ацетилтрансферазой (тиолазой).
Синтезированный таким образом ацетоацетил-КоА может превращаться в
свободный ацетоацетат двумя путями. Он может взаимодействовать еще с
одной молекулой ацетил-КоА под действием гидроксиметилглутарил-КоА –
синтетазы (ГМГ-КоА-синтетаза) с образованием β-гидрокси-β-метилглутарилКоА, который затем при участии гидроксиметилглутарил-КоА–лиазы (ГМГКоА-лиаза) распадается на ацетоацетат и ацетил-КоА.
Кроме того, ацетоацетил-КоА может превращаться в свободную
ацетоуксусную кислоту, отщепляя HS-КоА путем деацилирования при участии
ацетоацетил-КоА–гидролазы (АцАц-КоА-гидролаза).
При восстановлении ацетоацетата образуется 3-гидроксимасляная кислота (анион – 3-гидроксибутират).
Ацетон образуется из ацетоацетата при декарбоксилировании, катализи198
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
руемом ацетоацетатдекарбоксилазой.
Содержание кетоновых тел в крови колеблется: если в печени содержится
много гликогена, то предпочтительно образуется 3-гидроксимасляная кислота;
когда гликогена мало, преобладает ацетоацетат.
10.5 Биосинтез жирных кислот
Биосинтез
жирных
жизнедеятельности
кислот
организмов.
и
липидов
Именно
в
играет
виде
важную
жирных
роль
в
кислот
и
триацилглицеринов откладываются основные количества энергетических
ресурсов организмов животных, в то время как энергоресурсы, откладываемые
в форме углеводов, незначительны.
В клетках организма жирные кислоты синтезируются из ацетил-КоА,
образующегося из избыточной глюкозы пищи, которая не была использована
организмом на энергетические нужды. В качестве восстановителя в биосинтезе
жирных кислот принимает участие НАДФН, синтезируемый, в основном, в
пентофосфатном пути распада углеводов.
Нужно отметить, что хотя все реакции β-окисления жирных кислот
обратимы, этот путь не используется организмом с целью их синтеза.
Биосинтез
жирных
кислот
осуществляется
в
цитоплазме
клеток
и
катализируется целым полиферментным надмолекулярным ансамблем –
пальмитилсинтетазой, состоящей из семи ферментов.
Суммарная реакция биосинтеза жирных кислот в цитоплазме имеет
следующий вид (Е – пальмитилсинтетаза).
Ацетил-КоА + 7Малонил-КоА + 14(НАДФН + Н+) + Е →
→ Пальмитил-Е + 7СО2 + 8HS-КоА + 14НАДФ + 7Н2О
199
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из данного уравнения можно видеть, что для синтеза жирной кислоты
требуется
всего
одна
молекула
ацетил-КоА,
служащая
«затравкой».
Непосредственным источником синтеза является малонил-КоА, который
образуется из ацетил-КоА по реакции.
СН3–СО–SКоА + СО2 + АТФ →НООС–СН2–СО–SКоА + АДФ + Н3РО4
Эта реакция катализируется биотинзависимым ферментом – ацетил-КоАкарбоксилазой. Функция биотина сводится к переносу диоксида углерода на
субстрат.
Пальмитилсинтетаза
ансамбль
белков:
в
представляет
центре
ацилпереносящий белок (АПБ),
собой
полиферментного
многофункциональный
ансамбля
находится
содержащий свободную SH-группу; шесть
остальных ферментов располагаются по периметру, причем один из них также
содержит SH-группу. Поэтому пальмитилсинтетазу можно обозначить как
Процесс синтеза жирной кислоты описывается рядом последовательных
реакций:
1) перенос ацетила с ацетил-КоА на синтетазу
;
2) перенос малонила с малонил-КоА на синтетазу
;
3) конденсация ацетила с малонилом и декарбоксилирование образовавшегося продукта
200
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
;
4) первое восстановление промежуточного продукта с участием
;
5) дегидратация промежуточного продукта
;
6) второе восстановление промежуточного продукта с участием
Затем синтезированный бутирил перемещается на ту SH-группу,
с
которой был связан затравочный ацетил, а на освободившуюся SH-группу
поступает новый малонильный остаток из малонил-КоА. Далее цикл
повторяется снова; после семи оборотов цикла синтезируется пальмитил-Е,
который при участии пальмитилдеацилазы гидролизуется до пальмитиновой
кислоты и фермента (Е).
Пальмитиновая кислота – это основной продукт биосинтеза, однако в
небольших количествах могут образовываться и другие жирные кислоты.
Жирные кислоты с разветвленной углеродной цепью синтезируются из
продуктов метаболизма аминокислот с разветвленной цепью (валин, изолейцин
и лейцин) через ацильные производные КоА путем удлинения цепи и при
участии АПБ. Особенности биосинтеза полиненасыщенных жирных кислот
представляют интерес в связи с их витаминоподобными функциями. Некоторые
полиеновые кислоты могут синтезироваться из олеиновой кислоты с помощью
ряда последовательных реакций. Однако, синтез полиненасыщенных кислот,
201
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
содержащих двойные связи, расположенные между конечным метилом и
седьмым
атомом
углерода,
невозможен,
поэтому
они
и
являются
незаменимыми в пищевом рационе.
Таким образом, биосинтез и поступление с пищей – два основных
источника жирных кислот для организма человека и животных.
Биосинтез триацилглицеринов. Образующиеся в результате биосинтеза
жирные кислоты в организмах животных и человека в свободном виде встречаются лишь в незначительных количествах, а присутствуют главным
образом в виде триацилглицеринов. Синтез триацилглицеринов происходит в
печени и жировой ткани из КоА-производных жирных кислот через
фосфатидную кислоту по реакции
Фосфорилирование глицерина осуществляется глицеролкиназой за счет
энергии АТФ. Глицерол-3-фосфат может образовываться и при восстановлении
диоксиацетонфосфата.
Гидролиз фосфатидной кислоты фосфатазой приводит к образованию 1,2диацилглицерина, который, реагируя с другой молекулой ацил-КоА, образует
нейтральный триацилглицерин.
В слизистой кишечника триацилглицерины синтезируются из свободных
кислот, моно- и диацилглицеринов, но эти процессы характерны только для
слизистой оболочки кишечника. Перенос остатка жирной кислоты
происходит через ацильное производное КоА.
10.6 Биосинтез холестерина
Молекула холестерина синтезируется из ацетилов,
содержащихся в
ацетил-КоА, что было доказано методом радиоактивного мечения молекул.
Одним из промежуточных продуктов синтеза холестерина является β-гидрокси202
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
β-метилглутарил-КоА,
образующийся и при биосинтезе кетоновых тел (см.
выше).
Первая реакция биосинтеза холестерина – восстановление β-гидрокси-βметилглутарил-КоА в мевалоновую кислоту при участии β-гидрокси-βметилглутарил-КоА – редуктазы
Мевалоновая кислота далее подвергается ряду химических превращений,
в ходе которых отщепляется карбоксильная группа, а пятиуглеродные остатки
шести молекул мевалоновой кислоты конденсируются, образуя сквален.
Сквален представляет собой линейную симметричную молекулу, построенную
из шести изопреновых остатков
Затем сквален превращается в ланостерин, молекула которого уже имеет
тетрациклическое строение, характерное для холестерина. Из ланостерина в
несколько последовательных стадий синтезируется холестерин
Подавляющая часть холестерина (около 80 %) – синтезируется в печени;
второе место занимают клетки тонкого кишечника, в которых образуется около
203
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10 % всего холестерина организма; еще примерно 5 % добавляют клетки кожи.
Ферменты, необходимые для биосинтеза холестерина, имеются практически во
всех клетках. Общее количество холестерина, синтезируемого в организме в
сутки,
достигает 1,5 г. Скорость синтеза холестерина регулируется по
механизму отрицательной обратной связи. Основным пунктом регуляции
является реакция образования мевалоновой кислоты – первая специфическая
реакция
биосинтеза
холестерина: холестерин ингибирует β-гидрокси-β-
метилглутарил-КоА-редуктазу и подавляет ее синтез. При содержании от 2 г –
до 3 г холестерина в пищевом суточном рационе человека синтез собственного
холестерина почти полностью прекращается.
10.7 Нарушение обмена липидов
Патологические состояния, связанные с отклонениями от нормального
режима
протекания
метаболических
процессов
с
участием
липидов,
вызываются, в первую очередь, нарушениями их переваривания и всасывания в
организме.
Первым симптомом нарушения обмена липидов является
стеанорея, т.е. появление липидов в кале. Различают три основных типа
стеанореи:
1) панкреатогенная стеанорея, которая обусловлена низкой скоростью
синтеза панкреатической липазы, что, в свою очередь, приводит к снижению
интенсивности гидролиза триацилглицеринов в кишечном соке;
2) гепатогенная стеанорея, которая связана с нарушением поступления
желчи в двенадцатиперстную кишку, в результате чего не происходит
эмульгирования жиров, а, следовательно, и их гидролиза липазой;
3)
энтерогенная
стеанорея,
которая
обусловлена
снижением
метаболической активности слизистой оболочки тонкого отдела кишечника, в
котором
происходит
ресинтез
липидов.
Увеличение
концентрации
липопротеинов в крови приводит к возникновению гиперлипопротеинемии, а
понижение
204
– к гипопротеинемии.
Гиперлипопротеинемии обусловлены
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
замедлением
расщепления
липопротеиновых
комплексов
вследствие
недостаточности липопротеинлипазы или в результате гиперинсулинизма,
индуцирующего в печени усиленный синтез триацилглицеринов из углеводов.
Гиперлипопротеинемия
наряду
с
гиперхолестеролемией
(увеличением
содержания в крови холестерина) является основной причиной атеросклероза.
Гиполипопротеинемии связаны как с нарушением переваривания и всасывания
жиров в тонком отделе кишечника в результате дефицита липазы, а также с
нарушениями продукции и поступления желчи. Кроме того, увеличение
содержания тиреоидных гормонов (гипертиреоз) приводит к усилению
катаболизма сывороточных липидов.
205
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
11
Обмен
белков
и
аминокислот.
Переваривание
белков.
Внутриклеточный обмен. Катаболизм и биосинтез аминокислот.
11.1 Обмен белков
Организм человека состоит из белков (19,6 %), жиров (14,7 %), углеводов
(1 %), минеральных веществ (4,9 %), воды (58,8 %). Он постоянно расходует
эти вещества на образование энергии, необходимой для функционирования
внутренних органов, поддержания тепла и осуществления всех жизненных
процессов, в том числе физической и умственной работы.
Одновременно происходят восстановление и создание клеток и тканей, из
которых построен организм человека, восполнение расходуемой энергии за
счет веществ, поступающих с пищей. К таким веществам относят белки, жиры,
углеводы, минеральные вещества, витамины, воду и др., их называют
пищевыми. Следовательно, пища для организма является источником энергии и
пластических (строительных) материалов.
Это сложные органические соединения из аминокислот, в состав которых
входят углерод (от 50 % до 55 %), водород (от 6 %до 7 %), кислород (от 19 % до
24 %), азот (от 15 % до 19 %), а также могут входить фосфор, сера, железо и
другие элементы.
Белки — наиболее важные биологические вещества живых организмов.
Они служат основным пластическим материалом, из которого строятся клетки,
ткани и органы тела человека. Белки составляют основу гормонов, ферментов,
антител и других образований, выполняющих сложные функции в жизни
человека (пищеварение, рост, размножение, иммунитет и др.), способствуют
нормальному обмену в организме витаминов и минеральных солей. Белки
участвуют в образовании энергии, особенно в период больших энергетических
затрат или при недостаточном количестве в питании углеводов и жиров.
Энергетическая ценность 1 г белка составляет 4 ккал (16,7 кДж).
206
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При недостатке белков в организме возникают серьезные нарушения:
замедление роста и развития детей, изменения в печени взрослых, деятельности
желез
внутренней
деятельности,
секреции,
снижение
состава
крови,
работоспособности
ослабление
и
умственной
сопротивляемости
к
инфекционным заболеваниям.
Белок в организме человека образуется беспрерывно из аминокислот,
поступающих в клетки в результате переваривания белка пищи. Для синтеза
белка человека необходим белок пищи в определенном количестве и определенного аминокислотного состава. В настоящее время известно более 80
аминокислот, из которых 22 наиболее распространены в пищевых продуктах.
Аминокислоты по биологической ценности делят на
незаменимые
и
заменимые.
Незаменимы восемь аминокислот — лизин, триптофан, метионин,
лейцин, изолейцин, валин, треонин, фенилаланин; для детей нужен также
гистидин. Эти аминокислоты в организме не синтезируются и должны
обязательно поступать с пищей в определенном соотношении, т. е.
сбалансированными. Особенно ценны незаменимые аминокислоты триптофан,
лизин,
метионин,
содержащиеся
в
основном
в
продуктах животного
происхождения, соотношение которых в пищевом рационе должно составлять
1:3:3.
Заменимые аминокислоты (аргинин, цистин, тирозин, аланин, серин и
др.) могут синтезироваться в организме человека.
Пищевая ценность белка зависит от содержания и сбалансированности
незаменимых аминокислот. Чем больше в нем незаменимых аминокислот, тем
он ценней. Источниками полноценного белка являются мясо, рыба, молочные
продукты, яйца, бобовые (особенно соя), овсяная и рисовая крупы.
Суточная норма потребления белка от 1,2 г до 1,6 г на 1 кг массы
человека, т. е всего от 57 г до 118 г в зависимости от пола, возраста и характера
труда человека. Белки животного происхождения должны составлять 55 %
207
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
суточной нормы. Кроме того, при составлении рациона питания следует
учитывать сбалансированность аминокислотного состава пищи.
Биологическое значение и специфичность белков. Белки являются
основным веществом, из которого построена протоплазма клеток и межклеточные вещества. Жизнь — есть форма существования белковых тел (Ф.
Энгельс). Без белков нет и не может быть жизни. Все ферменты, без которых не
могут протекать обменные процессы, являются белковыми телами. С
белковыми телами — миозином и актином — связаны явления мышечного
сокращения. Переносчиками кислорода в крови являются пигменты белковой
природы, у высших животных — гемоглобин, а у низших — хлорокруорин и
гемоцианин. Белку плазмы, фибриногену, кровь обязана своей способностью к
свертыванию. С некоторыми белковыми веществами плазмы, так называемыми
антителами, связаны иммунные свойства организма. Одно из белковых веществ
сетчатки — зрительный пурпур, или родопсин — повышает чувствительность
сетчатки
глаза
к
восприятию
света.
Нуклеопротеиды
ядерные
и
цитоплазматические принимают существенное участие в процессах роста и
размножения. С участием белковых тел связаны явления возбуждения и его
распространения. Среди гормонов, участвующих в регуляции физиологических
функций, имеется ряд веществ белковой природы.
Строение белков отличается большой сложностью. При гидролизе
кислотами, щелочами и протеолитическими ферментами белок расщепляется
до аминокислот, общее число которых более двадцати пяти. Помимо
аминокислот, в состав различных белков входят и многие другие компоненты
(фосфорная кислота, углеводные группы, липоидные группы, специальные
группировки).
Белки отличаются высокой специфичностью. В каждом организме и в
каждой ткани имеются белки, отличные от белков, входящих в состав других
организмов и других тканей. Высокая специфичность белков может быть
выявлена при помощи следующей биологической пробы. Если ввести в кровь
животного белок другого животного или растительный белок, то организм
208
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
отвечает на это общей реакцией, заключающейся в изменении деятельности
ряда органов и в повышении температуры. При этом в организме образуются
специальные защитные ферменты, способные расщеплять введенный в него
чужеродный белок.
Парэнтеральное
(т.
е.
минуя
пищеварительный
тракт)
введение
чужеродного белка делает животное через некоторый промежуток времени
чрезвычайно чувствительным к повторному введению этого белка. Так, если
морской свинке парэнтерально ввести небольшое количество (1 мг и даже
меньше) чужеродного белка (сывороточные белки других животных, яичные
белки и т. д.), то через 10—12 дней (инкубационный период) повторное
введение нескольких миллиграммов этого же самого белка вызывает бурную
реакцию организма морской свинки. Реакция проявляется в судорогах, рвоте,
кишечных кровоизлияниях, понижении кровяного давления, расстройстве
дыхания, параличах. В результате этих расстройств животное может погибнуть.
Такая повышенная чувствительность к чужеродному белку получила название
анафилаксии (Ш. Рише, 1902), а описанная выше реакция организма —
анафилактического шока. Значительно большая доза чужеродного белка,
вводимая первый раз или до истечения инкубационного срока, не вызывает
анафилактического шока. Повышение чувствительности организма к тому или
иному воздействию называется сенсибилизацией. Сенсибилизация организма,
вызванная парентеральным введением чужеродного белка, сохраняется в
течение многих месяцев и даже лет. Она может быть устранена, если ввести
этот же белок повторно до истечения срока инкубационного периода.
Явление анафилаксии наблюдается и у людей в форме так называемой
«сывороточной болезни» при повторном введении лечебных сывороток.
Высокая специфичность белков понятна, если учесть, что путем
различного
комбинирования
численного количества
аминокислот
белков с
возможно
различным
образование
сочетанием
бес-
аминокислот.
Расщепление белков в кишечнике обеспечивает не только возможность их
209
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
всасывания, но и снабжение организма продуктами для синтеза своих
собственных специфических белков.
Основное значение белков заключается в том, что за их счет строятся
клетки и межклеточное вещество и синтезируются вещества, принимающие
участие в регуляции физиологических функций. В известной мере белки,
однако, наряду с углеводами и жирами, используются и для покрытия
энергетических затрат.
Промежуточный обмен белков. Белки в пищеварительном канале
подвергаются
расщеплению
протеолитическими
ферментами
(пепсином,
трипсином, химотрипсином, полипептидазами и дипептидазами) вплоть до
образования аминокислот. Поступившие из кишечника в кровь аминокислоты
разносятся по всему организму и из них в тканях синтезируются белки.
Как показали исследования с применением тяжелого изотопа азота (N18),
в теле все время происходит перестройка белковых тел с выхождением из них и
обратным включением в их состав аминокислот. Белки тела находятся в
состоянии постоянного обмена с теми аминокислотами, которые находятся в
составе небелковой фракции. В теле происходят также превращения одних
аминокислот
в
другие.
К
числу
таких
превращений
относится
переаминирование, заключающееся в переносе аминогруппы с аминокислот на
кетокислоты (А. Е. Браунштейн и М. Г. Крицман). При окислительном распаде
аминокислот
прежде
всего
происходит
дезаминирование.
Аммиак,
отщепляющийся в качестве одного из конечных продуктов белкового обмена, у
высших животных в значительной своей части подвергается дальнейшему
превращению в мочевину. У человека азот мочевины составляет в среднем
85 % всего азота мочи.
У млекопитающих мочевая кислота является одним из конечных
продуктов, выводимых с мочой. Она образуется только из пуриновых тел,
которые входят в состав нуклеопротеидов и нуклеотидов, являющихся
коферментами некоторых ферментативных систем.
210
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К числу важных конечных продуктов азотистого обмена относятся также
креа-тинин и гиппуровая кислота. Креатинин представляет собой ангидрид
креатина. Креатин находится в мышцах и в мозговой ткани в свободном
состоянии и в соединении с фосфорной кислотой (фосфокреатин).
Креатинин образуется из фосфокреатинина путем отщепления фосфорной
кислоты.
Количество
выводимого
с
мочой
из
организма
креатинина
сравнительно постоянно (1,5 г в суточной моче) и мало зависит от количества
белков, принимаемых с пищей. Только при мясной пище, богатой креатином,
количество креатинина в моче возрастает.
Гиппуровая кислота синтезируется из бензойной кислоты и гликокола (у
собак преимущественно в почках, у большинства животных и у человека
преимущественно в печени и в меньших размерах в почках).
Этот синтез, невидимому, направлен на обезвреживание бензойной
кислоты. Особенно много образуется гиппуровой кислоты у травоядных
животных в связи с тем, что в растительной пище содержатся вещества,
превращающиеся _в животном организме в бензойную кислоту. Увеличение
содержания гиппуровой кислоты в моче наблюдается и у человека при
переходе на растительную диету.
Продуктами распада белков, подчас имеющими большое физиологическое значение, являются амины (например, гистамин).
Роль печени и почек в обмене белков. При протекании крови через
печень аминокислоты частично задерживаются в ней и из них синтезируется
«запасный» белок, легко потребляемый организмом при ограниченном
введении
белка.
Незначительный
запас
белка,
невидимому,
может
откладываться и в мышцах (А. Я. Данилевский).
211
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
І — схема хода сосудов до операции;
II — экк-павловская фистула. Наложено соустье между воротной веной и
нижней полой веной; воротная вена между соустьем и печенью перевязана;
ІІІ — «перевернутая» экк-павловская фистула.
Рисунок 37 – Схема экк-павловской фистулы
После наложения соустья между воротной веной и нижней полой веной
последняя перевязана выше соустья — в этом случае развиваются коллатерали
между v. porta n v. azygos (рисунок 37).
В печени происходит, вероятно, также образование белков. Так, после
кровопотерь нормальное содержание альбуминов и глобулинов плазмы крови
быстро восстанавливается. Если же функция печени нарушена отравлением
фосфором,
то
восстановление
нормального
белкового
состава
крови
чрезвычайно замедлено. Образование альбуминов в печени показано в опытах с
ее измельченной тканью. Печень играет центральную роль и в промежуточном
белковом обмене. В ней в большом объеме совершаются процессы
дезаминирования, а также синтез мочевины. В печени же происходит
обезвреживание ряда ядовитых продуктов кишечного гниения белка (фенолы,
индол). Удаление печени вызывает через некоторое время гибель животного
даже при условии повторного введения глюкозы. Очевидно, это обусловлено
отравлением продуктами промежуточного обмена белков, в частности,
накоплением аммиака. Очень большую роль в изучении функции печени
сыграл метод наложения соустья между венами (фистула Экка-Павлова).
212
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Экк-павловская фистула представляет соустье между воротной веной и
нижней полой веной, причем участок воротной вены вблизи печени
перевязывается. В результате такой операции кровь, оттекающая от кишечника
и поступающая в воротную вену, не может из нее поступать в печень, а
изливается в нижнюю полую вену, минуя печень. Такая операция сохраняет
печень жизнеспособной, так как последняя снабжается кровью через
печеночную артерию. Но при этом исключается возможность задержки
печенью токсических веществ, всасываемых кишечником. Впервые эта трудная
операция была осуществлена Н. В. Экком в лаборатории И. Р. Тараханова.
Однако сохранять в живых собак с таким свищом Экку не удалось. И. П.
Павлов в 1892 г. прооперировал около 60 собак, причем около трети их
остались живыми и были подвергнуты изучению. Биохимическая часть
исследований была проведена М. В. Ненцким и его сотрудниками. Оказалось,
что собаки с экк-павловской фистулой могут жить в течение значительного
срока, если только их пища содержит мало белка. При белковой пище, в
частности, при даче собакам большого количества мяса, происходит отравление
организма ядовитыми продуктами распада белков. Животное становится
возбужденным, координация движений нарушается, наступают судороги и
затем смерть. В крови при этом обнаруживается повышенное содержание
аммиака. Органом, принимающим значительное участие в белковом обмене,
являются почки. В почках происходит отщепление аммиака от аминокислот,
причем отщепляющийся аммиак идет на нейтрализацию кислот. Последние в
форме аммонийных солей выделяются с мочой.
Через почки происходит освобождение организма от образовавшихся
азотистых конечных продуктов белкового обмена (мочевина, креатинин,
мочевая кислота, гиппуровая кислота, аммиак). При нарушении функции почек
в результате их заболевания происходит задержка всех этих продуктов в тканях
и в крови, что приводит к накоплению небелкового (так называемого
остаточного)
азота
в
крови
(азотемия
и
уремия).
Если
накопление
азотсодержащих продуктов обмена в крови прогрессирует, то человек погибает.
213
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Обмен сложных белков. Нуклеопротеиды принимают участие в явлениях
роста и размножения. В тканях, не увеличивающих уже своей массы, роль
нуклеопротеидов, по-видимому, сводится к участию в воспроизведении
белковых
веществ
ткани.
(рибонуклеопротеидов)
Обмен
происходит
цитоплазматических
нуклеопротеидов
интенсивнее,
обмен
чем
ядерных
нуклеопротеидов, дезоксирибонуклеопротеидов. Так, скорость обновления
фосфора в рибонуклеиновой кислоте печени в 30 раз, а в рибонуклеиновой
кислоте мозга в 10 раз больше, чем в дезоксирибонуклеиновой кислоте этих
тканей. Об обмене нуклеопротеидов в организме человека судят по выведению
пуриновых тел, в частности, мочевой кислоты. В обычных условиях питания ее
выделяется 0,7 г в сутки. При мясной пище образование ее в организме
повышено. При нарушении обмена, выражающемся в заболевании подагрой,
трудно растворимая мочевая кислота откладывается в тканях, в частности, в
окружности суставов.
В организме непрерывно происходит распад и синтез гемоглобина. При
синтезе геминовой группы используется гликокол и уксусная кислота.
Необходимо также достаточное поступление в тело железа.
Об интенсивности распада гемоглобина в теле можно получить представление по образованию желчных пигментов, возникновение которых
связано с расщеплением порфиринового кольца геминовой группировки и
отщеплением железа. Желчные пигменты поступают с желчью в кишечник и в
толстых кишках подвергаются восстановлению до стеркобилиногена или
уробилиногена. Часть уробилиногена теряется с каловыми массами, а часть
всасывается в толстых кишках и затем попадает в печень, из которой вновь
поступает в желчь. При некоторых страданиях печени уробилиноген не
задерживается полностью в печени и попадает в мочу. Содержащийся в моче
уробилиноген в присутствии кислорода окисляется в уробилин, отчего моча
темнеет.
214
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Переваривание
белков
в
желудочно-кишечном
тракте.
Белки,
поступающие с пищей, подвергаются в желудочно-кишечном тракте распаду
при участии протеолитических ферментов или пептидгидролаз, которые
ускоряют
гидролитическое
аминокислотами.
Различные
расщепление
пептидных
пептидгидролазы
связей
обладают
между
относительной
специфичностью, они способны катализировать расщепление пептидных связей
между определенными аминокислотами. Пептидгидролазы выделяются в
неактивной форме ( это предохраняет стенки пищеварительной системы от
самопереваривания).
Активируются
они
при
поступлении
пищи
в
соответствующий отдел желудочно-кишечного тракта или при виде и запахе
пищи по механизму условного рефлекса. Активация пепсина и трипсина
происходит по механизму автокатализа, другие пептидгидролазы активируются
трипсином. Во рту белки пищи только механически измельчаются, но не
подвергаются химическим изменениям, так как в слюне нет пептидгидролаз.
Химическое изменение белков начинается в желудке при участии пепсина и
соляной кислоты. Под действием соляной кислоты белки набухают, и фермент
получает доступ во внутренние зоны их молекул. Пепсин ускоряет гидролиз
внутренних (расположенных далеко от концов молекул) пептидных связей. В
результате из белковой молекулы образуются высокомолекулярные пептиды.
Если в желудок поступают сложные белки, пепсин и соляная кислота способны
катализировать
отделение
их
простетической
(небелковой)
группы.
Высокомолекулярные пептиды в кишечнике подвергаются дальнейшим
превращениям в слабощелочной среде под действием трипсина, химотрипсина
и пептидаз. Трипсин ускоряет гидролиз пептидных связей, в образовании
которых принимают участие карбоксильные группы аргинина и лизина;
химотрипсин
расщепляет
пептидные
связи,
образованные
с
участием
карбоксильных групп триптофана, тирозина и фенилаланина. В результате
действия этих ферментов высокомолекулярные пептиды превращаются в
низкомолекулярные
и
некоторое
количество
свободных
аминокислот.
Низкомолекулярные пептиды в тонком кишечнике подвергаются действию
215
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
карбоксипептидаз А и В, отщепляющих концевые аминокислоты со стороны
свободной аминогруппы, и аминопептидаз, делающих то же самое со стороны
свободной аминогруппы. В результате образуются дипептиды, которые
гидролизуются до свободных аминокислот под действием дипептидаз.
Аминокислоты
и
некоторое
количество
низкомолекулярных
пептидов
всасываются кишечными ворсинками. Этот процесс требует затрат энергии.
Часть аминокислот уже в стенках кишечника
включаются в синтез
специфических белков, большая же часть продуктов пищеварения поступает в
кровь (95 %) и в лимфу. Часть аминокислот, образовавшаяся в процессе
пищеварения,
и
непереваренные
белки
нижних
отделов
кишечника
подвергаются гниению под действием кишечных бактерий. Из некоторых
аминокислот образуются ядовитые продукты: фенолы, амины, меркаптаны.
Они частично выводятся из организма с калом, частично всасываются в кровь,
переносятся ею в печень, где происходит их обезвреживание. Этот процесс
требует значительных затрат энергии. Сложный белок в пищеварительной
системе распадается на белок и простетическую группу. Простые белки
подвергаются гидролизу до аминокислот. Превращения простетических групп
происходят в соответствии с их химической природой. Гем хромопротеидов
окисляется в гематин, который почти не всасывается в кровь, а выделяется с
калом. Нуклеиновые кислоты в кишечнике гидролизуются при участии
эндонуклеаз, экзонуклеаз и нуклеотидаз. Под действием эндонуклеаз из
молекул нуклеиновых кислот образуются крупные осколки – олигонуклеотиды
(рисунок 38). Экзонуклеазы от концов молекул нуклеиновых кислот и
олигонуклеотидов отщепляют мономеры
- отдельные
мононуклеотиды,
которые под действием нуклеотидаз могут распадаться на фосфорную кислоту
и нуклеозид. Мононуклеотиды и нуклеозиды всасываются в кровь и
переносятся к тканям, где мононуклеотиды используются для синтеза
специфических нуклеиновых кислот, а нуклеозиды подвергаются дальнейшему
распаду.
216
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 38 - Переваривание белков в желудочно-кишечном тракте
Метаболический фонд аминокислот крови пополняется не только за
счет аминокислот, поступающих с пищей, но и за счет аминокислот,
образующихся при гидролизе тканевых белков, аминокислот, синтезируемых из
веществ небелковой природы, и при превращениях одних аминокислот в
другие. Из метаболического фонда крови каждая клетка тела получает
аминокислоты, необходимые ей для синтеза ее специфических белков, а
оставшиеся аминокислоты преобразуются в другие классы соединений или
распадаются до конечных продуктов обмена и выделяют при этом энергию.
Регуляция белкового обмена. Интенсивность белкового - обмена в
большой мере зависит от гуморальных влияний со стороны щитовидной
железы. Гормон щитовидной железы, тироксин, повышает интенсивность
белкового обмена. При базедовой болезни, характеризующейся усиленным
выделением гормонов щитовидной железы (гипертиреоз), белковый обмен
повышен. Напротив, при гипофункции щитовидной, железы (гипотиреоз)
интенсивность белкового обмена резко снижается. Так как деятельность
щитовидной железы находится под контролем нервной системы, то последняя и
является истинным регулятором белкового обмена.
217
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На ход обмена белков оказывает большое влияние характер пищи. При
мясной
пище
повышено
количество
образующейся
мочевой
кислоты,
креатинина и аммиака. При растительной пище эти вещества образуются в
значительно меньших количествах, так как в растительной пище мало
пуринових тел и креатина. Количество аммиака, образующегося в почках,
зависит от кислотно-щелочного равновесия в организме — при ацидозе его
образуется больше, при алкалозе — меньше. С растительной пищей вводится
значительное количество щелочных солей органических кислот. Органические
кислоты
окисляются
до
углекислого
газа,
выводимого
через
легкие.
Соответствующая доля основания, остающаяся в организме и выводимая затем
с мочой, сдвигает кислотно-щелочное равновесие в сторону алкалоза. Поэтому
при растительной пище нет необходимости в образовании в почках аммиака
для нейтрализации избытка кислот, и в этом случае содержание его в моче
незначительно.
11.2 Катаболизм аминокислот
Аминокислоты, образующиеся при переваривании белков и поступающие
в клетки тканей,
подвергаются
катаболизму и анаболизму,
а
также
специфическим реакциям, в результате которых синтезируются биологически
активные соединения.
Катаболизм большинства аминокислот начинается с отщепления αаминогруппы. Аминокислота теряет аминогруппу в результате двух типов
реакций: трансаминирования и дезаминирования.
Трансаминирование - реакция переноса α-аминогруппы с аминокислоты
на α-кетокислоту, в результате чего образуются новая кетокислота и новая
аминокислота. Константа равновесия для большинства таких реакций близка к
218
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
единице (Кр~1,0), поэтому процесс трансаминирования легко обратим.
Реакции катализируют ферменты аминотрансферазы,
коферментом
которых служит пиридоксальфосфат (ПФ) - производное витамина В6
(пиридоксина).
Аминотрансферазы обнаружены как в цитоплазме, так и в митохондриях
клеток эукариот. Причём митохондриальные и цитоплазматические формы
ферментов различаются по физико-химическим свойствам. В клетках человека
найдено
более
10
аминотрансфераз,
отличающихся
по
субстратной
специфичности. Вступать в реакции трансаминирования могут почти все
аминокислоты, за исключением лизина, треонина и пролина.
11.3 Механизм реакции
Аминотрансферазы - классический пример ферментов, катализирующих
реакции, протекающие по механизму типа "пинг-понг". В таких реакциях
первый продукт должен уйти из активного центра фермента до того, как второй
субстрат сможет к нему присоединиться.
Активная
присоединения
форма
аминотрансфераз
пиридоксальфосфата
к
образуется
аминогруппе
в
лизина
результате
прочной
альдиминной связью (рисунок 39). Лизин в положении 258 входит в состав
активного
центра
фермента.
Кроме
того,
между
ферментом
и
219
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пиридоксальфосфатом образуются ионные связи с участием заряженных
атомов фосфатного остатка и азота в пиридиновом кольце кофермента.
1 - альдиминная связь
Рисунок 39 - Присоединение пиридоксальфосфата к активному центру
аминотрансферазы
Пиридоксальфосфат в данном случае служит переносчиком аминогрупп.
При этом наиболее важную роль играет его альдегидная группа, которая может
обратимо
присоединять
различные
амины
с
образованием
шиффовых
оснований. Реакции трансаминирования проходят в 2 стадии, во время которых
пиридрксальфосфат претерпевает обратимые превращения между свободной
альдегидной формой (ПФ) и аминированной формой (пиридоксаминфосфат).
Последовательность реакций трансаминирования представлена ниже
(рисунок 40).
На первой стадии к пиридоксальфосфату в активном центре фермента с
помощью альдиминной связи присоединяется аминогруппа от первого
субстрата
-
аминокислоты.
Образуются
комплекс
фермент-пиридокса-
минфосфат и кетокислота - первый продукт реакции. Этот процесс включает
промежуточное образование 2 шиффовых оснований.
На второй стадии комплекс фермент-пиридоксаминфосфат соединяется
с кетокислотой (вторым субстратом) и снова через промежуточное образование
220
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2 шиффовых оснований передаёт аминогруппу на кетокислоту. В результате
фермент возвращается в свою нативную форму, и образуется новая
аминокислота
-
второй
продукт
реакции.
Если
альдегидная
группа
пиридоксальфосфата не занята аминогруппой субстрата, то она образует
шиффово основание (альдимин) с ε-аминогруппой радикала лизина в активном
центре фермента.
Рисунок 40- Последовательность реакций трансаминирования
11.4 Органоспецифичные аминотрансферазы АНТ и ACT
Чаще всего в реакциях трансаминирования участвуют аминокислоты,
содержание которых в тканях значительно выше остальных - глутамат, аланин,
аспартат и соответствующие им кетокислоты - α-кетоглутарат, пируват и
оксалоацетат. Основным донором аминогруппы служит глутамат.
Суммарно эти реакции можно представить в виде схемы
Акцептором
аминогруппы
любой
аминокислоты,
подвергающейся
трансаминированию (аминокислота 1), служит α-кетоглутарат. Принимая
221
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
аминогруппу, он превращается в глутамат, который способен передавать эту
группу
любой
α-кетокислоте
с
образованием
другой
аминокислоты
(аминокислота 2).
Аминотрансферазы обладают субстратной специфичностью к разным
аминокислотам.
В
тканях
человека
обнаружено
более
10
разных
аминотрансфераз.
Наиболее
распространёнными ферментами в большинстве
тканей
млекопитающих являются аланинаминотрансфераза (АЛТ), по обратной
реакции
-
глутамат-пируватаминотрансфераза
аспартатаминотрансфераза
(ACT),
по
оксалоацетатаминотрансфераза (ГОТ).
обратной
(ГПТ)
реакции
-
и
глутамат-
АЛТ (АлАТ) катализирует реакцию
транса-минирования между аланином и α-кетоглутаратом. Локализован этот
фермент в цитозоле клеток многих органов, но наибольшее его количество
обнаружено в клетках печени и сердечной мышцы. ACT (АсАТ) катализирует
реакцию
трансами-нирования
между
аепартатом
и
α-кетоглутаратом
аналогично предыдущей. В результате образуются оксалоацетат и глутамат.
ACT имеет как цитоплазматическую, так и митохондриальную формы.
Наибольшее его количество обнаружено в клетках сердечной мышцы и печени.
Так как наибольшее количество АЛТ и ACT сосредоточено в печени и
миокарде, а содержание в крови очень низкое, можно говорить об
органоспецифичности этих ферментов. В результате работы аминотрансфераз
аминный азот многих аминокислот переходит в состав глутамата. Есть
основания считать, что накопление аминогрупп в форме глутаминовой кислоты
происходит в цитозоле. Затем глутамат с помощью транслоказ попадает в
митохондрии, где активна специфическая ACT. В результате действия этого
фермента
глутамат
снова
превращается
в
α-кетоглутарат.
Последний
используется для непрямого дезаминирования аминокислот, содержащихся в
митохондриях. Это очень важно, так как только глутамат в тканях
млекопитающих наиболее
дезаминированию.
222
быстро
может
подвергаться
окислительному
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
11.5 Биологическое значение трансаминирования
Реакции
трансаминирования
играют
большую
роль
в
обмене
аминокислот. Поскольку этот процесс обратим, ферменты аминотрансферазы
функционируют как в процессах катаболизма, так и биосинтеза аминокислот.
1 Трансаминирование - заключительный этап синтеза заменимых
аминокислот из соответствующих α-кетокислот, если они в данный момент
необходимы клеткам. В результате происходит перераспределение аминного
азота в тканях организма. Трансаминирование - первая стадия дезаминирования
большинства аминокислот, т.е. начальный этап их катаболизма. Образующиеся
при этом кетокислоты окисляются в ЦТК или используются для синтеза
глюкозы и кетоновых тел. При трансаминировании общее количество
аминокислот в клетке не меняется.
2 Дезаминирование аминокислот
Дезаминирование аминокислот - реакция отщепления α-аминогруппы от
аминокислоты, в результате чего образуется соответствующая α-кетокислота
(безазотистый
остаток)
и
выделяется
молекула
аммиака.
Дальнейшие
превращения продуктов дезаминирования аминокислот представлены на
рисунке 41. Аммиак токсичен для ЦНС, поэтому в организме человека и
млекопитающих он превращается
в нетоксичное
хорошо растворимое
соединение - мочевину. В виде мочевины, а также в виде солей аммония
аммиак выводится из организма. Безазотистый остаток используется для
образования аминокислот в реакциях трансаминирования,
223
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 41 - Продукты дезаминирования аминокислот
В процессах глюконеогенеза, кето-генеза, в анаплеротических реакциях
для восполнения убыли метаболитов ОПК, в реакциях окисления до СО2 и Н2О.
Существует несколько способов дезаминирования аминокислот:

окислительное;

непрямое (трансдезаминирование);

неокислительное;

внутримолекулярное.
11.6 Окислительное дезаминирование
Наиболее активно в тканях происходит дезаминирование глутаминовой
кислоты. Реакцию катализирует фермент глутаматдегидрогеназа, коферментом
глутаматдегидрогеназы является NAD+. Реакция идёт в 2 этапа. Вначале
происходит ферментативное дегидрирование глутамата и образование аиминоглутарата, затем - неферментативное гидролитическое отщепление
иминогруппы в виде аммиака, в результате чего образуется а-кетоглутарат.
Окислительное дезаминирование глутамата - обратимая реакция и
при повышении концентрации аммиака в клетке может протекать в обратном
направлении, как восстановительное шинирование α-кетоглутарата.
224
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глутаматдегидрогеназа
очень
активна
в
митохондриях
клеток
практически всех органов, кроме мышц. Этот фермент - олигомер, состоящий
из 6 субъединиц. Глутаматдегидрогеназа играет важную роль, так как является
регуляторным
ингибиторы
ферментом
аминокислотного
глутаматдегидрогеназы
(АТФ,
обмена.
ГТФ,
Аллостерические
NADH)
вызывают
диссоциацию фермента и потерю глутаматдегидрогеназной активности.
Высокие концентрации АДф активируют фермент. Таким образом, низкий
энергетический уровень в клетках стимулирует разрушение аминокислот и
образование α - кетоглутарата, поступающего в ЦТК как энергетический
субстрат.
Глутаматдегидрогеназа
может
индуцироваться
стероидными
гормонами (кортизолом).
Оксидаза L-аминокислот
В печени и почках обнаружен фермент оксидаза L-аминокислот,
способный дезаминировать некоторые L-аминокислоты.
Коферментом в данной реакции выступает FMN. Однако вклад оксидазы
L-аминокислот в дезаминирование, очевидно, незначителен, так как оптимум её
действия лежит в щелочной среде (рН 10,0). В клетках, где рН среды близок к
нейтральному, активность фермента очень низка.
Оксидаза D-аминокислот
Оксидаза D-аминокислот также обнаружена в почках и печени. Это FADзависимый фермент. Оптимум рН этой оксидазы лежит в нейтральной среде,
поэтому фермент более активен, чем оксидаза L-аминокислот. Роль оксидазы
D-аминокислот невелика, так как количество D-изомеров в организме крайне
мало, потому что в белки пищи и белки тканей человека и животных входят
225
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
только природные L-аминокислоты. Вероятно, оксидаза D-аминокислот
способствует их превращению в соответствующие L-изомеры (рисунок 42).
Непрямое дезаминирование (трансдезаминирование)
Большинство аминокислот не способно дезаминироваться в одну стадию,
подобно
Глу.
Аминогруппы
трансаминирования
таких
переносятся
на
аминокислот
α-кетоглутарат
в
с
результате
образованием
глутаминовой кислоты, которая затем подвергается прямому окислительному
дезаминированию. Такой механизм дезаминирования аминокислот в 2 стадии
получил название трансдезаминирования, или непрямого дезаминирования
Непрямое дезаминирование аминокислот происходит при участии 2
ферментов: аминотрансферазы (кофермент ПФ) и глутаматдегидрогеназы
(кофермент NAD+).
Значение этих реакций в обмене аминокислот очень велико, так как
непрямое
дезаминирование
большинства
аминокислот.
Обе
основной
способ
дезаминирования
стадии
непрямого
дезаминирования
обратимы (рисунок 43 а), что обеспечивает как катаболизм аминокислот, так и
возможность
образования
практически
любой
аминокислоты
из
соответствующей α-кетокислоты (рисунок 43 б).
В мышечной ткани активность глутаматдегидрогеназы низка, поэтому в
этих клетках при интенсивной физической нагрузке функционирует ещё один
путь непрямого дезаминирования с участием цикла ИМФ-АМФ. Вначале
происходит перенос аминогруппы аминокислот на аспартат, затем на
инозиновую кислоту (ИМФ) и в завершение - дезаминирование АМФ.
226
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Представленная схема отражает последовательность реакций непрямого
неокислительного дезаминирования
Можно выделить 4 стадии процесса:

трансаминирование с α-кетоглутаратом, образование глутамата;

трансаминирование глутамата с оксалоацета-том (фермент ACT),
образование аспартата;

реакция
переноса
аминогруппы
от
аспартата
на
ИМФ
(инозинмонофосфат), образование АМФ и фумарата;

гидролитическое дезаминирование АМФ.
Перенос аминогруппы от аспартата
и синтез АМФ происходят
следующим образом.
Реакция
дезаминирования
адениловой
кислоты
происходит
под
действием фермента АМФ дезаминазы.
Рисунок 42 - Биологическая роль оксидазы D-аминокислот
227
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а – катаболизм аминокислот
б – синтез аминокислот
Рисунок 43 - Биологическая роль непрямого дезаминирования
1 При катаболизме почти все природные аминокислоты сначала передают
аминогруппу на а-кетоглутарат в реакции трансаминирования с образованием
глутамата и соответствующей кетокислоты. Затем глутамат подвергается
прямому
окислительному
дезаминированию
под
действием
глутаматдегидрогена-зы, в результате чего получаются а-кетоглутарат и
аммиак;
2 При необходимости синтеза аминокислот и наличии необходимых акетокислот обе стадии непрямого дезаминирования протекают в обратном
направлении. В результате восстановительного аминирования а-кетоглутарата
образуется
глутамат,
который
вступает
в
трансаминирование
с
соответствующей а-кетокислотой, что приводит к синтезу новой аминокислоты.
Этот путь дезаминирования преобладает в мышцах при интенсивной
работе, в результате которой накапливается молочная кислота. Выделяющийся
аммиак предотвращает закисление среды в клетках, вызванное образованием
лактата.
Неокислительное дезамитровате
В
печени
человека
присутствуют
специфические
ферменты,
катализирующие реакции дезаминирования аминокислот серина, треонина и
гистидина неокислительным путём.
Неокислительное
сериндегидратаза.
228
дезаминирование
серина
катализирует
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Реакция начинается с отщепления молекулы воды и образования
метиленовой группы, затем
происходит неферментативная перестройка
молекулы, в результате которой образуется иминогруппа, слабо связанная с ауглеродным атомом. Далее в результате неферментативного гидролиза
отщепляется молекула аммиака и образуется пируват.
Неокислительное дезаминирование треонина катализирует фермент
треониндегидратаза. Механизм реакции аналогичен дезаминированию серина.
Эти ферменты гшридоксальфосфатзависимые.
Неокислительное дезаминирование гистидина под действием фермента
гистидазы (гистидин-аммиаклиазы) является внутримолекулярным, так как
образование молекулы аммиака происходит из атомов самой аминокислоты без
участия молекулы воды. Эта реакция происходит только в печени и коже.
229
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
12 Гормоны. Общая характеристика. Классификация и
механизм действия центральных и периферических эндокринных
желез
Гормоны (от греч. «hormao» - побуждаю) осуществляют контроль и
регуляцию клеточной активности. Гормоны – биологически активные вещества,
выделяемые
клетками
железами внутренней
и
оказывающие
секреции или специализированными
целенаправленное
(регулирующее
и
координирующее) действие на другие органы и ткани. Для гормонов
характерен дистанционный характер действия. При этом ответная реакция на
гормон проявляется лишь у клеток-мишеней для данного гормона. Чтобы
вызвать биологический ответ в клетке, гормон вначале должен быть связан как
лиганд со специфическим белком клетки, называемым рецептором (R).
Взаимодействие гормона с рецептором клетки-мишени является обязательной
характеристикой
для
правильного
функционирования
данного
класса
биологически важных веществ организма. Активность воздействия гормона на
клетки-мишени определяется его концентрацией, его связующей аффинностью
к рецептору, числом рецепторов и продолжительностью взаимодействия.
Под влиянием гормонов происходят изменения клеточной активности с
участием внеклеточных молекул-посредников, которые включают химические
и физические модификации простых веществ и макромолекул внутри клеток.
При этом клеточная активность связана с повышением или снижением уровня
ферментов или биосинтеза белка. Гормональная регуляция может проявляться
на всех стадиях транскрипции и трансляции РНК, посттрансляционной
модификации и деградации беловых молекул, т.е. любой биохимический
процесс, может быть «местом действия» гормона.
Роль гормонов в метаболической активности необходимо рассматривать
во взаимосвязи всех элементов эндокринной системы. Клеточная активность
изменяется
механизмов:
230
потоком
субстрата
внутрь
клетки
на
основе
следующих
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

химическая модификация белков-ферментов за счет фосфорилирования и
дефосфорилирования, как в случае фосфорилаз и гликогенсинтетазы;

разрыв ковалентных связей в полипептидной цепи, как, например,
превращение трипсиногена и трипсин;

объединение или диссоциация пептидных субъединиц, как, например,
отделение регуляторной субъединицы под действием цАМФ для активирования
протеинкиназы;

аллостерическая модификация, которая приводит к конформационным
изменениям, например, эффект влияния концентрации АМФ и АТФ на
активность фосфофруктокиназы и фруктозо-1, 6-дифосфатазы;

кофакторы, мелкие пептиды или ионы, действующие на ферментные
комплексы, или активаторы, например, Са+2 и кальмодулин.
По механизму действия, в определенной степени условно, и химическому
строению гормоны
подразделяют
на
следующие
группы: стероидные,
производные аминокислот, пептидные и белковые. Стероидные гормоны
являются
производными
холестерола.
Это
–
глюкокортикоиды,
минералокортикоиды, эстрогены, андрогены, витамин D3 (кальцитриол).
Гормоны этой группы после секреции связываются с транспортными белками,
что удлиняет период их нахождения в крови. Все они жирорастворимые
соединения и легко проходят сквозь плазматическую мембрану любой клетки,
где связываются с рецепторами цитоплазмы или ядра. Поэтому механизм
действия стероидных гормонов классифицируют как «внутриклеточный».
Внутриклеточный механизм действия стероидных гормонов
Стероид (С) → С + R → C – R → C – R → мРНК → Синтез белка
мембрана
цитоплазма ядро
Гормон – рецепторный комплекс (С – R) поступает в ядра клеток, где
связывается с определенной областью ДНК, активируя или инактивируя
специфические гены. В результате происходят изменения синтеза белка на
231
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
стадии трансляции, что, в конечном счете, находит отражение на течении тех
или иных метаболических процессов.
Стероидные гормоны индуцируют синтез множества специфических для
данной клетки белков в процессе ее дифференцировки, роста. Поэтому
чувствительные
к
данному
гормону
клетки
для
нормального
функционирования требуют непрерывного поступления поддерживающих
количеств гормона.
Стероидные гормоны продуцируются в специальных клетках коры
надпочечников, яичников, семенников, плаценты. Биологически активные
стероиды в относительно небольших количествах образуются также во
внеэндокринных тканях из стероидных предшественников, циркулирующих в
крови. Это кожа, печень, мозг, молочная железа, жировая ткань. Гормоны этой
группы не запасаются в значительных количествах в эндокринных железах и
секретируются в кровь, распределяясь по всем органам и тканям организма.
Общий метаболический путь для образования всех стероидных гормонов
включает превращение холестерина в прегненолон. Количество холестерина,
конвертируемое в прегненолон, регулируются АКТГ в коре надпочечников и
лютеинизирующим гормоном в интерстициальных клетках семенников и
яичников.
Прегненолон
сразу
же
превращается
гидроксилазами
и
дегидрогеназами в соответствующие стероидные гормоны, поступающие в
циркуляцию крови.
Транспортерами стероидных гормонов являются в крови кортизолсвязанный
глобулин
(транскортин),
который
связывает
кортизол,
кортикостерон, прогестерон, а также глобулин, транспортирующий тестостерон
и эстрадиол.
Период полураспада стероидных гормонов варьирует от 30 до 90 минут.
Перечень является первичным органом в катаболизме этих гормонов. Их распад
осуществляется под влиянием дегидрогенеза, содержащих НАД как кофермент.
Метаболиты стероидных гормонов конъюгируют (связываются) с серной или
232
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
глюкуроновой кислотой в печени и в таком виде быстро экскретируются в
мочу.
Другие гормоны представляют собой белковые молекулы, пептиды,
катехоламины и являются водорастворимыми соединениями, они не имеют
транспортных белков и клеточные мембраны служат барьером для них. Первый
контакт пептидных гормонов с клеткой-мишенью осуществляется на основе
взаимосвязи с белком-рецептором, расположенным на наружной поверхности
плазматической мембраны клетки. Механизм действия пептидных и белковых
гормонов принято классифицировать как «мембранный».
Через посредство рецепторов на наружной мембране клетки все гормоны
этой
группы
взаимодействуют
с
ферментами
аденилатциклазой
(АЦ),
расположенной на внутренней поверхности плазматической мембраны. При
этом
происходит
активация
АЦ,
которая
катализирует
образование
циклического АМФ (цАМФ) из АТФ. Другими словами, цАМФ синтезируется
за
счет
циклизации
АМФ
при
распаде
АТФ
под
влиянием
АЦ.
Аденилатциклаза является сложным мембранным белком с множественными
трансмембранными
сегментами.
цАМФ
способен
гидролизоваться
под
влиянием фосфодиэстеразы в 5-АМФ.
Следует указать, что цАМФ обеспечивает очень широкий круг клеточных
процессов, таких как повышение распада запасов энергетических веществ,
усиление секреции кислот слизистой желудка, снижение слипания тромбоцитов
крови, индуцирование открытия каналов для хлоридов тканей. Сазерленд
(Sutherland) назвал циклический АМФ «вторичным посредником», который
передает внутри клетки сигнал пептидного или белкового «первичного
посредника», остающегося вне клетки.
В свою очередь, цАМФ активирует протеинкиназу, тетрамерный белок (в
настоящее время выделено около 20 различных протеинкиназ). Протеинкиназы
(ПК) мышц в своем составе имеют две регуляторные субъединицы (Р), которые
обладают высокой степенью сродства к цАМФ, и две каталитические
субъединицы (К). В отсутствии цАМФ регуляторные и каталитические
233
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
субъединицы формируют единый Р2К2-комплекс, который ферментативно не
активен. Связывание двух молекул цАМФ с каждой Р-субъединицей приводит
к распаду Р2К2-комплекса на Р2-субъединицу и две К-субъединицы. В этом
случае
эти
свободные
К-субъединицы
будут
являться
активными. Таким образом, взаимодействие цАМФ с
ферментативно
Р-субъединицей
уменьшает эффект угнетения каталитической субъединицы. Можно считать,
что если гормон является первичным эффекторным посредником (от одной
клетки к другой), то цАМФ – вторичный посредник (внутри клетки), цАМФ
является центральным посредником действия гормона на эффекторную клетку.
Активация
фосфорилирования
протеинкиназ
различных
вызывает
белков
усиление
(мембранных,
процессов
рибосомальных,
ферментативных, хроматиновых) при участии фосфатаз, что и приводит к
усилению многочисленных метаболических процессов.
Основное влияние гормонов «пептидной группы» на активацию синтеза
белка в обменных процессах проявляется путем фосфорилирования, прежде
всего под действием протеинкиназ.
Число рецепторов на клеточной мембране достигает 10 тысяч, но только
10 – 20 % из них участвуют во взаимодействии с гормонами, обеспечивая
максимальный гормональный ответ.
Следует отметить роль ионизированного кальция, как внутриклеточного
посредника действия ряда гормонов. Роль кальция в действии гормонов
доказывается тем, что эффект многих из них исчезает при снижении
внутриклеточных запасов кальция и усиливается при увеличении концентрации
этого элемента в клетке. Ионы кальция (Са2+) повышают активность фосфатаз,
обеспечивающих
фосфорилирование
белков.
Для
этого
ионы
кальция
поступают из клеточных органелл, а также необходим вход Са2+ в клетку, либо
торможение его выхода из клетки за счет Са2+-насоса. Уместно назвать при
этом белок кальмодулин, связывающий 4 атома кальция и повышающий
активность фосфодиэстеразы, которая превращает цАМФ в 5-АМФ.
234
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Гормоны традиционно классифицируют по месту биосинтеза в железах
внутренней секреции: гипоталамусе и гипофизе; щитовидной, паращитовидной,
поджелудочной, коры и мозгового вещества надпочечников; яичников,
планцете и семенниках.
Железы внутренней секреции взаимодействуют по типу синергизма или
антагонизма. Например, существует тесная связь между нервной системой
(гипоталамус) и эндокринной (гипофиз), что позволяет организму быстро
реагировать на различные факторы внешней среды и вследствие этого
физиологическое и биохимическое действия этих систем рассматривается
совместно как гипоталамо-гипофизарное. Однако для удобства понимания
этого сложного материала рассмотрим сначала гормоны гипоталамуса.
Гормоны
гипоталамуса.
Гипоталамус
обеспечивает
единство
взаимодействия отделов ЦНС и желез внутренней секреции. Сигналы, идущие
от всех тканей организма, воспринимаются мозгом путем возбуждения
афферентных (идущих к мозгу) нервных волокон. После анализа поступивших
сигналов высшие отделы мозга направляют нервные стимулы в гипоталамус,
который является интегральным центром, принимающим сигналы от ЦНС
через нейромедиаторы, и который в ответ секретирует так называемые
рилизинг-факторы. На сегодня выделены и изучены 7 гипоталамических
пептидов:
 тереотропин-рилизинг-гормон (тиреолиберин, ТРГ);
 гонадотропин-рилизинг-гормон (гонадолиберин, ГнРГ);
 гормон роста-рилизинг-гормон (соматолиберин, СРГ);
 гормон, ингибирующий высвобождение гормона роста (соматостатин,
СИГ);
 кортикотропин-рилизинг-гормон (кортиколиберин, КРГ);
 пролактолиберин;
 пролактостатин.
235
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Гормоны гипоталамуса контролируют секрецию гормонов гипофиза. Не
существует прямой нервной взаимосвязи между гипоталамусом и передней
долей гипофиза. Гормоны гипоталамуса высвобождаются из гипоталамических
нервных волокон и по богатой кровеносной системе достигают передней доли
гипофиза, где они стимулируют или ингибируют секрецию гормонов этой доли.
Задняя доля гипофиза имеет прямую нервную связь с гипоталамическим
ядром.
Гормоны
вазопрессин
и
окситоцин
синтезируются
в
клетках
гипоталамического ядра и по аксонам поступают и запасаются в задней доле
гипофиза, составляя ее секрет. Ряд гормонов гипоталамуса (тиреолиберин,
кортиколиберин, соматостатин) обнаруживаются и в других отделах нервной
системы.
В качестве примера приведем только один гипоталамический гормон –
тиреолиберин, структура (трипептид) которого была выяснена и который
регулирует секрецию тиреотропина передней доли гипофиза. С другой
стороны, секреция тиреолиберина регулируется по принципу обратной связи
циркулирующими тиреоидными гормонами (Т3 и Т4).
Гормоны гипофиза. Гормоны гипофиза стимулируют синтез и секрецию
соответствующих гормонов в эндокринных железах. При этом передача
сигнала от ЦНС до эндокринных желез на каждом участке сопровождается
возрастанием количества секретируемого гормона. Так, 1 мг кортиколиберина
гипоталамуса
приводит
к
синтезу
в
гипофизе
около
10
мкг
адренокортикотропного гормона, который на уровне надпочечников вызывает
образование нескольких мг кортизола.
В настоящее время к гормонам передней доли гипофиза относят СТГ,
АКТГ, ТТГ, ФСГ, ЛГ и пролактин.
Соматотропный гормон (СТГ), гормон роста. Гормон роста является
белком и синтезируется в соматотрофах – клетках гипофиза, где его
концентрация составляет от 5 мг до 15 мг/г. Его секреция в количественном
236
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
плане превышает секрецию других гормонов передней доли гипофиза в 100 –
1000 раз. Секреция СТГ носит пульсирующий характер. Повышение
концентрации СТГ отмечается в период наступления сна («кто не спит, тот не
растет»). Соматотропин играет решающую роль в контроле роста животного в
постнатальный
период.
Производится
генно-инженерными
методами
и
применяется в исследованиях для стимуляции роста животных и молокоотдачи
у коров.
СТГ обладает широким спектром биологических эффектов. Его действие
зависит от соматостатина гипоталамуса. На физиологические эффекты СТГ
оказывают влияние и гормоны щитовидной железы, действующие с ним
синергически. СТГ часто действует опосредованно через пептиды-посредники,
называемые соматомединами. СТГ активирует ДНК-полимеразы и биосинтез
мРНК. Он необходим для регуляции биосинтеза белков, особенно в печени в
период роста организма, для усиления транспорта аминокислот в мышечные
клетки.
СТГ стимулирует инсулиноподобный ростовой фактор в печени,
который, в свою очередь, усиливает транспорт аминокислот в клетки, синтез
белка, стимулирует липолиз в жировой ткани.
Действуя на печень, СТГ повышает содержание в ней гликогена за счет
усиления гликогенеза, снижает периферическую утилизацию глюкозы, а
значит, является антагонистом инсулина. СТГ повышает содержание жирных
кислот в крови и их окисление в печени, способствует положительному балансу
натрия, калия и хлора, стимулирует рост хряща, обеспечивая, таким образом,
рост костей.
Избыток синтеза СТГ у молодого животного приводит к гигантизму, а у
взрослого – к появлению акромегалии (от греч. akron – конечность, megas большой), непропорциональному росту отдельных частей тела. При недостатке
СТГ наблюдается карликовость или приостановка роста.
Следует помнить, что имеются и другие гормоны, такие как инсулин и
тиреотропин, которые оказывают выраженные стимулирующие эффекты в
237
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
период роста животного. В частности, тиреотропин и гормон роста на рост
животного действуют синергически. Оба вовлекаются в протеосинтез в печени
в период роста и в индукцию трансаминаз в печени.
Пролактин,
лактотропин.
Это
белок,
который
синтезируется
лактоформами – ацидофильными клетками гипофиза. Уровень пролактин
повышается в конце беременности, при лактации.
Действие пролактина на метаболические циклы разностороннее, однако,
наиболее полно изучено его стимулирующее влияние на лактогенез в молочной
железе.
Пролактин
активирует
Na+-K+-АТФазу,
синтез
циклических
нуклеотидов, простагландинов, белков молока. Пролактин моделирует действие
антидиуретического гормона и альдостерона в почках, т.е. опосредованно
влияет на
метаболизм
электролитов.
У многих животных пролактин
способствует стимуляции и поддержанию функции желтых тел, отсюда его
название «лютеотропный». Пролактин получен в кристаллическом виде.
Используется в животноводстве при пониженной секреции молочной железы
коров.
Тиреотропин, тиреотропный гормон (ТТГ)
Тиреотропин является сложным гликопротеином и содержит по две α- и
β-субъединицы, которые в отдельности биологической активностью не
обладают, в составе его двух субъединиц присутствует манноза, галактоза,
сиаловая кислота, N-ацетилгексоза.
Его концентрация регулируется тиролиберином гипоталамуса. Избыток
ТТГ
оказывает
трииодтиронина,
выраженное
тироксина
влияние
щитовидной
на
увеличение
железы.
За
счет
биосинтеза
лучшего
использования кислорода ТТГ вызывает дополнительно такие эффекты
гормонов щитовидной железы, как повышение синтеза белков, нуклеиновых
кислот, фосфолипидов. Недостаток ТТГ в организме снижает активность
щитовидной железы (она даже может уменьшаться в размере).
238
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Фолликулостимулирующий гормон (ФСГ). Это сложный белок –
гликопротеин. Он обеспечивает развитие фолликулов в яичниках самок и
сперматогенеза у самцов (рост семенных канальцев, семенников).
Уровень ФСГ значительно возрастает в крови животного при кастрации.
В
ветеринарной
практике
используют
аналог
ФСГ
–
сывороточной
гонадотропин крови жеребых кобыл для стимуляции овуляции.
Образование ФСГ контролируется
гонадолиберином гипоталамуса.
Особенно эффективен ФСГ при совместном действии с ЛК, при котором они
стимулируют биосинтез как женских, так и, в меньшей степени, мужских
половых гормонов.
Лютеинизирующий гормон (ЛГ). Это гликопротеин, содержащий
маннозу и гексозамины, с молекулярной массой. ЛГ обнаруживается в моче в
первую стадию беременности животного.
У самцов ЛГ повышает образование тестостерона, необходимого для
сперматогенеза, у самок вызывает рост фолликул, стимулирует овуляцию. ЛГ
поддерживает также желтое тело яичников у самок, которое вырабатывает
прогестерон, необходимый в течение первых недель беременности.
Адренокортикотропный гормон (АКТГ, кортикотропин)
Это полипептид, включающий 39 аминокислот. АКТГ получен также
синтетически и при содержании от 17 до 24 аминокислот обладает полной
биологической активностью. Активация аденилатциклазы в жировых клетках
под влиянием АКТГ вызывает превращение АТФ в цАМФ, активируя
специфическую
протеинкиназу,
которая
усиливает
фосфоролиз
холестеролэстераз, гидролизующих эфиры холестерола с его освобождением.
попадая в плазму, холестерол транспортируется переносящим белком и при
участии митохондриального цитохрома Р450 превращается в прегненолон,
предшественник всех стероидов надпочечников.
239
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таким образом, АКТГ регулирует рост и функцию коры надпочечников,
и, в первую очередь, глюкокортикоидов. Секреция АКТГ находится во
взаимосвязи с кортиколиберином гипоталамуса. Повышенный синтез АКТГ
приводит к избыточной продукции стероидных гормонов надпочечников с
последующим отрицательным балансом азота, повышением уровня жирных
кислот в плазме, уменьшением числа циркулирующих лимфоцитов и
эозинофилов.
Меланоцитстимулирующие гормоны (МСГ). К гормонам средней
(промежуточной) доли гипофиза относятся различные производные МСГ,
называемые также меланотропинами. В меланоцитах средней доли гипофиза,
ответственных
за
синтез
меланиновых
пигментов,
вырабатывается
меланоцитстимулирующий гормон (МСГ, меланотропин). Это полипептид,
содержащий от 13 до 22 аминокислоты (например, α-МСГ один у всех
животных содержит 13 аминокислот), с молекулярной массой 2000. Тогда как
β-МСГ существенно отличается по аминокислотному составу для различных
видов
животных.
Их
синтез
регулируется
меланолиберином
–
гипоталамическим гормоном. Эффект меланотропина связан с пигментацией
кожи,
глаз,
волос
животного.
Аминокислота
тирозин
под
влиянием
тирозингидроксилазы в ряде невыясненных детально последовательных
реакций превышается в меланиновые пигменты. В случае генетически
обусловленной неспособности синтеза тирозингидроксилазы в меланоцитах
уровень меланина снижается, что приводит к альбинизму. Избыточное
образование МСГ при гипофункции надпочечников приводит к развитию
Аддисоновой
болезни
характеризующейся
у
потерей
человека
воды
(бронзовая
организмом,
окраска
резким
кожи),
повышением
концентрации калия и хлора в крови и выведением из организма натрия в
составе мочи.
Следует отметить, что средняя доля гипофиза имеет богатую иннервацию
дофаминэргических, серотонинэргических волокон. Пептиды – дофамин,
240
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
серотонин – действуют скорее как нейромедиаторы, нежели как тканевые
гормоны.
Вазопрессин и окситоцин
Задняя доля гипофиза содержит два гормона-пептида, содержащего по 9
аминокислот: вазопрессин и окситоцин. Отнесение этих гормонов к гипофизу
достаточно условное, поскольку они синтезируются в нейронах гипоталамуса,
откуда поступают по нейронам в заднюю долю гипофиза, а затем
секретируются в кровь при определенной стимуляции.
Вазопрессин, получивший свое название за счет способности повышать
артериальное давление в силу стимуляции сокращения гладких мышц
кровеносных сосудов, известен также как антидиуретический гормон. Он
активно стимулирует реабсорбцию воды в дистальных почечных канальцах.
Недостаток вазопрессина как результат травмы, опухоли, инфекции вызывает
развитие несахарного диабета, при котором образуется и выделяется
чрезмерное количество мочи.
H2N – Цис – Тир – Фен – Глн – Асн – Цис – Про – Арг – Гли – СО – NH2
│
│
S --------------------------------------- S
вазопрессин
Эффект вазопрессина в почках осуществляется посредством цАМФ.
вазопрессин также активирует гликогенолиз в печени через активацию
фосфолипазы С. Вазопрессин находят в мозге, где он функционирует как
нейропептид.
Окситоцин, названный так за его способность вызывать сокращение
матки, воздействует и на гладкие мышцы молочной железы, усиливая
молокоотделение. Стимулом для высвобождения окситоцина является также
нервный импульс при раздражении молочных сосков.
241
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
H2N – Цис – Тир – Иле – Глн – Асн – Цис – Про – Лей – Гли – СО – NH2
│
│
S --------------------------------------- S
окситоцин
В период лактации окситоцин активирует гормон передней доли
гипофиза пролактин, усиливая, таким образом, выделение молока молочной
железой.
На
основе
биологической
этих
двух
активности
гормонов
пептидов
была
разработана
(например,
концепция
брадикинин,
адренокортикотропин) и использование их в биологической практике.
Синтезированы аналоги вазопрессина, антидиуретический эффект которых, в
частности,
превосходит
в
30
раз
активность
естественного
гормона.
Синтетические гормоны могут быть использованы, чтобы выделять рецепторы
для многих гормонов и других сигнальных молекул.
Гормоны щитовидной железы
Щитовидная железа продуцирует два основных гормона тироксин (Т4) и
трийодтиронин (Т3), которые циркулируют в крови животного в отношении 20 :
1 соответственно.
Структура
обоих
гормонов
свидетельствует,
что
они
являются
производными аминокислоты тирозина. В плазме крови количественно
присутствует в первую очередь тироксин (4,5 – 13,0 мкг / 100 мл), хотя Т3 в 3 –
5 раз активнее Т4. Период существования этих гормонов щитовидной железы
более продолжителен, чем других гормонов (для Т4 – 6 дней, для Т3 – 2 дня).
Йодированный белок – тиреоглобулин – является «депо» трийодтиронина и
тироксина в железе. Около 70 % йода в тиреоглобулине находится в составе
неактивного
монойодтиронина
и
дийодтиронина,
которые
«химическими предшественниками» тиреоидных гормонов.
242
являются
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Все клетки организма, за исключением мозга и семенников, являются
клетками-мишенями для гормонов Т3 и Т4.
Ферменты щитовидной железы способны окислять йод для его
включения в молекулы активных гормонов при участии тиреопероксидазы и
перекиси водорода.
Данные гормоны влияют на интенсивность метаболизма углеводов,
белков, жиров, воды, электролитов. Тиреоидные гормоны усиливают кишечную
абсорбцию глюкозы. В обмене белков гормоны проявляют катаболическую
активность в случае гипертиреоидного состояния. Под влиянием тиреоидных
гормонов усиливается использование липидов. Гипотиреоидное состояние
вызывает задержку воды и электролитов в организме.
Гормоны щитовидной железы оказывают также выраженное влияние на
другие эндокринные железы и, в частности, стимулируют функцию коры
надпочечников, нормализуют функции половых желез.
Эпителиальные клетки щитовидной железы активно извлекают из крови
неорганические иодиды, поступающие в организм с кормами и водой. Этот
механизм связан с процессом активного транспорта и активностью Na+-K+АТФазы. Большая часть энергии, используемой клеткой, тратится на Na+-K+АТФазный насос. Каждая клетка реагирует на гормоны щитовидной железы,
усиливая
при
этом
потребление
АТФ
за
счет
окислительного
фосфорилирования. Таким образом, под влиянием тиреоидных гормонов
происходит усиление поглощения клетками кислорода. В этом и состоит,
вероятно, главная метаболическая функция гормонов этой железы.
Тиомочевина, нитраты, перхлораты снижают образование Т3 и Т4 в
щитовидной
железе
за
счет
блокирования
реакций
окисления
йода
пероксидазой. В результате развивается гипофункция железы с признаками
кретинизма (карликовый рост, задержка умственного развития). В этих случаях
введение йода в форме йодистого калия приводит к положительным
профилактическим результатам.
243
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кожа является хорошим индикатором состояния щитовидной железы. В
случае гипертироидизма кожа мягкая, теплая и влажная как результат
вазодилятации. Напротив, кожа холодная и грубая, вызванная сокращением
сосудов, характерна для гипотиреодного состояния. Гипотиреоидизм может
развиваться не только в результате болезней, связанных с нарушением синтеза
гормонов, но и по причине недостаточного поступления в организм йода с
кормами и водой.
В 1962 г. был открыт синтезируемый в щитовидной железе гормон
тиреокальцитонин
(кальцитонин).
Это
полипептид,
содержащий
32
аминокислоты. Период полураспада кальцитонина равен 2 – 15 мин.
Кальцитонин секретируется клетками щитовидной железы в ответ на
высокий уровень кальция в крови, что быстро приводит к снижению
концентрации этого элемента в кровяном русле. Низкий уровень кальция в
крови стимулирует секрецию паратгормона, который повышает уровень
кальция за счет мобилизации кальция костной ткани. Действие кальцитонина
опосредованно цАМФ. Кальцитонин угнетает остеолиз, блокирует выход
кальция из костной ткани и при этом стимулирует почечную элиминацию
кальция. Кальцитонин способствует проникновению фосфора в клетке костной
ткани и защищает скелет против избыточной деминерализации в период
беременности и лактации. Таким образом, уровень кальция в крови является
определенным фактором своей собственной регуляции. Клинические признаки
недостаточности кальцитонина у животных не выявлены.
Гормоны паращитовидных желез
Паращитовидные
железы
синтезируют
и
выделяют
паратгормон.
Паратгормон – белок, содержащий 84 аминокислотных остатка, период
полураспада его составляет несколько минут. Паратгормон вырабатывается
железой в форме
прогормона
(90
аминокислот),
гексапептида переходит в активную форму.
244
которой с
потерей
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Паратгормон оказывает прямое воздействие на функцию почек, вызывая
увеличение экскреции фосфора (при отсутствии паратгормона фосфор
реабсорбируется почками). Увеличение экскреции фосфора почками приводит
к снижению концентрации этого элемента в крови. дефицит паратгормона в
организме приводит к значительному снижению уровня кальция в крови.
регуляция кальция во внеклеточной жидкости осуществляется кальцитонином,
витамином Д (кальцитриол) и паратгормоном. Их органами-мишенями является
кишечник, почки, костная ткань. Паратгормон связывается с рецепторами
мембран почек и костей с последующей активацией аденилатциклазной
системы с образованием цАМФ. Постоянство уровня кальция в крови
животного поддерживается главным образом кальцитонином щитовидной
железы и паратгормоном паращитовидной железы.
В крови часть кальция связана с белками, другая часть (50 %) находится в
виде свободных ионов Са2+ и является физиологически активной. В костях
кальций находится в виде нерастворимой соли – Са3(РО4)2. Костная ткань
включает примерно 99 % всего количества кальция в организме. Кальций
костной
ткани
является
основным
резервуаром
для
удовлетворения
потребностей организма в этом элементе.
Прямым эффектом паратгормона является и остеолиз. При снижении
уровня кальция в крови происходит повышение секреции паратгормона и при
этом усиливается выход кальция и фосфора (основного «союзника» кальция в
организме) из костной ткани в кровь. Напротив, повышение концентрации
кальция в крови вызывает угнетение секреции паратгормона.
Паратгормон вызывает стимуляцию образования активной формы
витамина D в почках (1,25-(ОН)2-D3) за счет активации почечной 1-αгидроксилазы. В свою очередь витамин D стимулирует высасывание кальция в
кишечнике. Увеличение концентрации кальция в крови по типу обратной связи
снижает образование витамина D.
Хроническое увеличение уровня паратгормона в организме приводит к
потере кальция костной тканью и отложению фосфата кальция в мягких тканях.
245
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При удалении паращитовидных желез у собак отмечают резкое снижение
уровня кальция в крови (судорожные титанические припадки) и повышение
уровня фосфата в крови (нервно-мышечная возбудимость). Из паращитовидных
желез
крупного
рогатого
скота
выделены
полипептиды,
обладающие
аналогичной гормональной активностью.
Гормоны поджелудочной железы
Для
поджелудочной
железы
характерным
является
клеточный
полиморфизм. Выявлены четыре типа клеток железы, каждый из которых
вырабатывает определенный гормон: α-клетки, β-клетки, δ-клетки, F-клетки.
Все гормоны поджелудочной железы являются пептидами или белками.
Островки Лангерганса поджелудочной железы секретируют инсулин, глюкагон,
соматостатин, панкреатический полипептид. Уровень глюкозы в крови
поддерживается сравнительно постоянным. глюкоза в органах и тканях
трансформируется в глюкозо-6-фосфат, ключевой посредник, который может
быть направлен на синтез гликогена, на синтез энергии по пути гликолиза, на
окисление по пентозному пути. Судьба глюкозо-6-фосфата определяется
действием двух гормонов поджелудочной железы – инсулина и глюкагона.
Высокий уровень глюкозы приводит к увеличению секреции инсулина, а
низкий уровень глюкозы стимулирует секрецию глюкагона.
Инсулин. Это первый белковый гормон, полученный в 1925 г. в
кристаллическом виде и с выясненной Сэнджером в 1953 г. аминокислотной
последовательностью.
Он
синтезируется
β-клетками
железы
в
форме
проинсулина (84 аминокислотных остатка), а затем в результате протеолиза с
отщеплением С-пептида из 33 аминокислотных остатков переходит в активную
форму. В настоящее время инсулин синтезирован химическим путем и методом
генной инженерии. Молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей
(А и В) с 21 и 30 аминокислотами соответственно, связанных двумя
дисульфидными связями. В тетрамере инсулина обнаружено 2 молекулы цинка.
Инсулин в крови не связан с транспортными белками, поэтому его период
246
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
полураспада составляет лишь 3 – 5 мин. Связывание инсулина с его
рецепторами на поверхности клеток-мишеней (печень, жировая ткань) без
проникновения внутрь клетки вызывает образование в ней вторичных
посредников, что приводит к активизации ферментов внутри клетки уже через
несколько секунд или часов. В регуляции синтеза инсулина определенную роль
играет концентрация глюкозы в крови. Повышение концентрации глюкозы в
крови вызывает повышение синтеза инсулина в поджелудочной железе.
Механизм действия инсулина на обменные процессы точно не выяснен.
Полагают, что глюкоза связывается с рецепторами инсулина на поверхности
мембран β-клеток, в результате чего и происходит активация секреции
инсулина. При высоком содержании инсулина в крови число рецепторов
гормона уменьшается и таким образом чувствительность тканей-мишеней к
инсулину снижается. Жировая клетка, например, содержит 10 тысяч
рецепторов, поэтому она более чувствительна к действию гормона, чем клетки
печени. Инсулин – единственный гормон, способный понижать уровень сахара
в крови, тогда как целый ряд других гормонов повышают уровень сахара в
крови. Во всех органах внутри клеток концентрация глюкозы ниже, чем вне
клетки. Инсулин облегчает диффузию глюкозы и аминокислот внутри клетки, а
в клетках печени он способствует усилению фосфорилирования глюкозы, что
также усиливает приток глюкозы внутрь клетки. Внутри клетки инсулин
усиливает гликолиз, синтез липидов, белков, гликогена, ингибирует липолиз.
Все это приводит к снижению концентрации глюкозы в крови животного.
Инсулин – важнейший анаболитический агент в печени, жировой ткани,
мышцах. Эти эффекты объясняются усилением образования АТФ, НАДФН
(+Н+). Важнейший источник энергии в клетках – аэробный гликолиз и
последующее окисление промежуточных продуктов в цикле трикарбоновых
кислот. Указанные процессы усиливаются за счет влияния инсулина на
клеточные ферменты гликолиза. Понижение в печени активности фермента
фруктозо-1,6-дифосфатазы и пируваткарбоксилазы приводит к снижению
глюконеогенеза.
247
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Недостаток продукции инсулина вызывает развитие в организме
сахарного
диабета
характеризуется
с
признаками
нарушениями
полиурии,
метаболизма
глюкозурии.
углеводов,
жиров,
Диабет
белков.
Гипергликемия при сахарном диабете связана с недостатком транспорта
глюкозы внутрь клеток в силу снижения активности инсулина и высокой
степени глюконеогенеза, так как действие глюкагона не сдерживается
инсулином.
При инсулиновой недостаточности происходит усиление липолиза.
Усиленный липолиз приводит к повышению уровня свободных жирных кислот
и глицерина в крови и печени. Свободные жирные кислоты являются
источником синтеза кетоновых тел, которые, накапливаясь, способствуют
развитию
ацидоза,
усиливают
тканевую
гипоксию.
Гепатоциты
инфильтрируются продуктами жирового обмена, и создаются условия для
развития жировой инфильтрации печени (диабетический стеатоз).
При дефиците инсулина активируется глюконеогенез под действием
глюкагона и гликогенолиз. Для синтеза глюкозы используются аминокислоты,
образующиеся при усилении распада тканевых белков, в результате уровень
белков в тканях снижается. В процессе глюконеогенеза активно используются
аланин,
поэтому
в
крови
увеличивается
содержание
аминокислот
с
разветвленной цепью (валин, изолейцин, лейцин), утилизация которых
мышечной тканью снижается. Таким образом, усиливаются гипергликемия и
накопление продуктов распада белков – мочевины, азота, развивается
гиперазотемия.
Вследствие гипергликемии происходит перераспределение воды в тканях,
выход жидкости из клеток в кровяное русло, что приводит к тканевой
дегидратации. Повышение уровня жирных кислот в печени также приводит к
усилению синтезов триглицеринов, липопротеинов, провоцируя ожирение
печени. В норме инсулин способствует транспорту аминокислот в клетке и
синтезу белков. Однако у диабетиков повышение уровня аланина способствует
усилению глюконеогенеза и гипергликемии. Повышение использования
248
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
аминокислот приводит к увеличению синтеза мочевины в печени. В конечном
счете, усиление катаболизма аминокислот приводит к отрицательному
азотистому балансу. При введении в организм инсулина в этих ситуациях
указанные нарушения исчезают. При этом следует учитывать, что действие
гормона по времени ограничено.
Препараты инсулина получают из поджелудочных желез свиней и
крупного рогатого скота. Человеческий инсулин впервые был получен в 1965 г.,
а его промышленный синтез осуществлен в 1980 г. Сегодня существуют два
способа
промышленного
получения
инсулина:
биосинтетический
и
полусинтетический. Биосинтетический инсулин синтезирован путем генной
инженерии, а полусинтетический препарат получают путем замены аланина в
30-м положении β-полипептидной цепи молекулы инсулина свиньи на треонин.
По аминокислотному спектру из инсулинов животного происхождения
наиболее близки к человеческому свиной и китовый инсулины, обладающие
меньшей антигенной активностью. По продолжительности действия инсулины
подразделяются на инсулины короткого (6 – 8 ч), промежуточного (10 – 12 ч) и
длительного действия (18 – 22 ч). К наиболее частым осложнениям,
вызываемым введением инсулина, относятся гипогликемия, аллергические
реакции.
Глюкагон. Это полипептид, в своем составе содержит 29 аминокислот.
Он синтезируется в α-клетках поджелудочной железы в форме проглюкагона в
ответ на низкий уровень глюкозы в крови. В плазме крови он связан с белками,
и период полураспада его составляет несколько минут. Печень и почки быстро
инактивируют глюкагон. Клетки печени – основные мишени гормона. Действие
глюкагона прямо противоположно эффектам инсулина.
Первостепенное действие глюкагона – активация цАМФ-зависимой
фосфорилазной системы печени с превращением гликогена в глюкозу, которая
поступает в кровь. Клетки печени содержат фермент глюкозо-6-фосфоразу и
могут обеспечивать поступление свободной глюкозы в кровь. Мышцы и другие
ткани имеют дефицит этого фермента, поэтому не способны к «экспорту»
249
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
глюкозы. Глюкагон также усиливает глюконеогенез в печени за счет активации
ряда ферментов и увеличения в печени концентрации предшественников
глюкозы. Глюкагон снижает активность пируваткиназы и ацетил-КоАкарбоксилазы, стимулирует цАМФ-зависимую липазную активность в клетках
жировой ткани, печени, с превращением триглицеридов в свободные жирные
кислоты и глицерин, а также усиливает образование кетоновых тел. Под
влиянием глюкагона происходит угнетение синтеза белка и усиление его
распада,
поэтому
значительная
часть
освобождающихся
аминокислот
вовлекается в глюконеогенез. Высокое отношение «глюкагон : инсулин» в
крови повышает уровень глюконеогенеза и снижает активность гликолиза в
печени. Низкое отношение «глюкагон : инсулин» имеет обратный эффект.
Соматостатин. Впервые выделен из гипоталамуса. Это циклический
пептид из 14 аминокислот, синтезируемый также в δ-клетках поджелудочной
железы вначале в формах прогормона из 28 аминокислот. Соматостатин
обнаружен и в разных отделах пищеварительного тракта.
Механизм действия соматостатина выяснен недостаточно. Вероятно, его
эффекты связаны с блокированием поступления в клетки железы Са2+,
необходимого для секреции других гормонов поджелудочной железы.
Соматостатин подавляет эффекты инсулина и глюкагона, тормозит секрецию
гастрина, секрецию ферментов поджелудочной железы. Соматостатин снижает
всасывание глюкозы в кишечнике, регулируя, таким образом, концентрацию
сахара в крови. Соматостатин также блокирует высвобождение соматотропина
гипофизом.
Панкреатический
полипептид.
Он
включает
36
аминокислот
с
молекулярной массой 4200 и является продуктом F-клеток поджелудочной
железы. Панкреатический полипептид способен активизировать ферменты
пищеварительного тракта, поджелудочной железы. Можно полагать, что
клетками-мишениями для этого гормона являются клетки всех отделов
желудочно-кишечного
250
тракта.
Биохимические
процессы,
связанные
с
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
панкреатическим
полипептидом,
не
выяснены.
При
диабете
выявлена
гиперплазия синтезирующих полипептид клеток.
Гормоны надпочечников. Гормоны коры надпочечников
Кора надпочечников синтезирует множество различных стероидных
структур, которые являются производными холестерола. В настоящее время
известно около 30, но только отдельные из них обладают биологической
активностью. Стероидные гормоны играют исключительно важную роль в
росте, развитии, регуляции метаболизма организма животного. Стероидные
гормоны, в отличие от биологических аминов и белковых гормонов,
практически нерастворимы в воде и быстро используются после синтеза, а не
запасаются в клетках.
Гормоны коры надпочечников разделяют на две большие группы:
глюкокортикоиды и минералокортикоиды.
Концентрация стероидных гормонов в плазме в определенный момент
представляет разницу между уровнем образования и секреции гормона
эндокринной железы и уровнем их метаболизма в печени и экскреции почками.
Степень метаболизма стероидных гормонов высокая. Период полураспада
стероидов в плазме составляет от 30 до 90 мин. Печень – основной орган
метаболизма стероидных гормонов. Восстановление стероидов связано с
участием дегидрогеназ, использующих НАД+ как кофермент. Полученные
метаболиты конъюгируют с серной или глюкуроновой кислотами и поступают
в кровь. Почки быстро экскретируют их в мочу. В норме лишь следы
свободных, не восстановленных, стероидов находятся в моче.
Для
стероидных
структур
коры
надпочечников,
обладающих
биологической активностью, общим свойством строения является, как правило,
наличие 21 углеродного атома и гидроксила при С11. Количество холестерола,
конвертируемое в прегненолон, регулируется АКТГ в коре надпочечников и ЛГ
в интерстициальных клетках семенников и яичников.
251
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глюкокортикоиды – стероиды, имеющие гидроксил в положении С17
структуры,
что
указывает на
наличие
глюкокортикоидной активности
соединения, т.е. участие в углеводном обмене. К ним относятся: кортизол
(80 %), кортизон, кортикостерон. Важнейший эффект глюкокортикоидов –
стимуляция глюконеогенеза. Они повышают уровень глюкозы в крови и
накопление гликогена в печени. Использование глюкозы мышечными клетками
угнетается кортизолом. Этот эффект кортизола противоположен действию
инсулина, который повышает проницаемость мышечных клеток для глюкозы и
аминокислот.
Как
результат
активности
кортизола
аминокислоты
периферических тканей превращаются в кетокислоты, и через реакции
глюконеогенеза происходит усиление синтеза глюкозы. Часть этого количества
глюкозы реализуется печенью на повышение уровня глюкозы в крови, а другая
часть используется печенью на синтез гликогена. Повышение уровня глюкозы в
крови связано также с усилением синтеза катехоламинов под влиянием
глюкокортикоидов.
Кортизол усиливает синтез белка в печени, тогда как в периферических
мышечных тканях имеет место распад белков до аминокислот. Метаболизм
кортизола протекает в основном в печени. Небольшая часть гормона
превращается в кортизол. Сегодня имеется много аналогов кортизола,
используемых в клинической практике как противоспалительные средства при
местном применении.
Главные минералокортикоиды: альдостерон (имеет альдегидную группу в
С13 положении) и 11-дезоксикортикостерон (в положениях С11 и С17 не имеет
заместителей) – главным образом влияют на водно-солевой обмен, удерживают
ионы натрия, хлора и способствуют выведению ионов калия с мочой.
По влиянию на минеральный обмен альдостерон в 50 – 100 раз активнее
кортикостерона и почти в 300 раз – кортизола. В продукции альдостерона
участвует система ренин-ангиотензин, К+, АКТГ. Увеличение в крови калия
усиливает секрецию альдостерона. Альдостерон не связан в плазме крови с
белком и поэтому быстро удаляется через почки из организма. Мишенью
252
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
действия альдостерона являются дистальные участки почечных канальцев с
реабсорбцией Na+, которая сопровождается удалением через почки К+, Н+,
NH4+. При гипофункции надпочечников наступает потеря ионов Na+, HCO3-, Clи воды с задержкой Н+ в тканях; уменьшается объем циркулирующей крови.
Гормоны мозгового вещества надпочечников
Мозговой слой надпочечников служит продолжением симпатической
нервной системы – это специализированный ганглий, лишенный продолжения в
виде аксона. Хромаффинные клетки мозгового вещества надпочечников
вырабатывают из тирозина гормоны адреналин и норадреналин, содержащие в
своей структуре катехол, а поэтому названные катехоламинами.
На долю адреналина приходится около 80 % всех катехоламинов.
Адреналин и норадреналин также синтезируются симпатической нервной
системой и рассматриваются как симпатомиметические нейромедиаторы.
Основным источником норадреналина крови служат симпатические нервы. В
норме содержание катехоламинов в крови животных низкое, но при
эмоциональных возбуждениях, физических нагрузках их концентрация резко
возрастает,
обеспечивая,
таким
образом,
мобилизационную
готовность
организма, защитные реакции.
Катехоламины
проявляют
свои
эффекты
через
посредство
адренэргических рецепторов. Их мишенями являются клетки печени, мышц,
сердца, жировая ткань. Катехоламины обеспечивают первую линию защиты к
стрессам, реакцию «борьбы или бегства».
Активность мозгового вещества надпочечников находится под контролем
нервной системы. Спокойные животные секретируют в основном адреналин
(кролик, морская свинка), тогда как животные агрессивные (лев, кошка)
секретируют норадреналин.
Катехоламины транспортируются в хромаффинные гранулы белкамитранспортерами. Поток кальция на нервное окончание обеспечивается
деполяризацией потенциала. «Кислый» белок хромогранин образует при этом
253
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
комплекс
с
положительно
заряженными
катехоламинами.
Действие
катехоламинов прекращается Na+-зависимым транспортным белком, который
удаляет их из синаптической области и транспортирует в клетки, их
использующие.
Основным органом, где происходит распад катехоламинов за счет
реакций метилирования, окислительного дезаминирования, синтеза парных
соединений, является печень.
В качестве донора метильных групп используется S-аденозил-метионин.
Катехоламины оказывают выраженное сосудосуживающее действие,
вызывая повышение кровяного давления, усиление и учащение сердцебиения.
Они влияют на углеводный обмен, повышая уровень глюкозы в крови за счет
ускорения распада гликогена в мышцах и печени.
Мишенью для катехоламинов является и жировая ткань, в которой они
стимулируют липолиз.
Эффект
адреналина
особенно
ярко
проявляется
в
ускорении
гликогенолиза в скелетной мышце с накоплением лактата, который частично
поступает в печень, где превращается в глюкозу и гликоген. Гликоген
распадается до глюкозы, поступающей в кровь.
Адреналин мобилизует гликоген печени, по крайней мере, тремя
различными механизмами. Во-первых, через стимуляцию глюкагона. Вовторых, адреналин связывается с рецепторами на поверхности клеток печени,
что приводит к образованию цАМФ, производного АТФ. Гормон не поступает
в клетки печени, а все его эффекты опосредованы цАМФ. Адреналин служит,
как и глюкагон, первым «сигнальным посредником» (от одной клетки к
другой), а цАМФ выступает как второй «сигнальный посредник» (внутри
клетки). Увеличение активности аденилатциклазы приводит к повышению
уровня
цАМФ.
В
процессе
активации
аденилатциклазы
необходимо
дополнительно участие ГТФ. Гуанил-нуклеотид – связывающий белок является
посредником в процессе активации и получил название G-белка. Вероятно,
активированный
254
рецептор
стимулирует
G-белок,
который
и
передает
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
стимулирующий сигнал на аденилатциклазу. В-третьих, мембраны клеток
печени имеют особые места связывания адреналина – α-адренэргические
рецепторы. Взаимодействие этих рецепторов с адреналином приводит к
образованию инозитол-трифосфата, который стимулирует реализацию Са2+ из
внутриклеточных запасов (эндоплазматический ретикулум), что вызывает
активацию различных фосфорилаз, прежде всего - фосфорилазы гликогена. В
скелетных мышцах адреналин создает условия для повышения уровня глюкозо6-фосфата, необходимого для гликолиза. АТФ, получаемый в результате
гликолиза, используется затем в обменных процессах при стрессовых
ситуациях организма.
Адреналин
Аденилатциклаза
Аденилатциклаза (активная)
АТФ
цАМФ
Протеинкиназа А
Протеинкиназа А (активная)
Фосфорилазкиназа
Фосфорилазкиназа (активная)
Фосфорилаза В
Фосфорилаза А (активная)
Адреналин и норадреналин значительно стимулируют распад гликогена в
мышцах и, в меньшей мере, в печени. Печень более чувствительна к действию
глюкагона. Адреналин также стимулирует секрецию глюкагона и угнетает
секрецию инсулина.
Половые гормоны
Половые железы (яичники у самок и семенники у самцов) синтезируют,
как и кора надпочечников, множество стероидных структур. Следует отметить,
что в женских половых железах имеет место незначительный синтез мужских
половых гормонов, а в мужских половых железах синтезируется некоторые
количества женских половых гормонов.
Основная функция половых гормонов – обеспечение развития, роста,
регуляция репродуктивной системы. Половые гормоны классифицируются в
255
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
соответствии с их биологической активностью. Андрогены – мужские половые
гормоны, их структура включает 19 атомов углерода. Эстрогены – женские
половые гормоны, их структура включает 18 атомов углерода и одно
ароматическое ядро, а также прогестерон, представляющий собой С21 –
стероид.
Мужские половые гормоны (андрогены). Андрогены продуцируют в
основном в клетках Лейдига семенников, в небольшом количестве – в
яичниках, в коре надпочечников животных обоих полов. Андрогены влияют на
развитие, поддержание и функции мужских репродуктивных органов, на
развитие вторичных половых признаков. Андрогены оказывают широкое
влияние на весь организм, а также на отдельные специфические ткани. Они
оказывают выраженную анаболическую активность, приводящую к усвоению
азота, увеличению мышечной и костной массы.
Андрогены определяют формирование костной ткани и прекращение
роста костей после полового созревания. Влияя на нервную систему, андрогены
определяют
характерное
половое
поведение.
Рецепторные
места
для
андрогенов выявлены в мозге, мышцах и других тканях.
Основной мужской половой гормон – тестостерон (от лат. testis –
семенник), а из мочи самцов выделяют андростерон, который является
продуктом распада тестостерона.
Синтез и выделение андрогенов железами происходит непрерывно. В
крови тестостерон связан с β-глобулинами. Тестостерон значительно активнее
андростерона и легко проходит в ядра клеток, где находит соответствующий
рецептор. Можно рассматривать тестостерон как прогормон, так как он
превращается в активное соединение – 5-α-дигидротестостерон в различных
тканях вне семенников. Получил распространение в практике лечения
недостаточностей
мужских
половых
желез
препарат
метилтестостерон.
Тестостерон-пропионат, эфир тестостерона, обладает более длительным
256
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
биологическим действием, чем нативный гормон, так как медленнее
рассасывается в тканях.
Андрогены участвуют в половой дифференцировке, в сперматогенезе, в
регуляции генов, в анаболических процессах. Андрогены оказывают влияние на
мозг, приводящее к характерному сексуальному поведению самцов. Рецепторы
для андрогенов выявлены в мозге, мышцах и в других тканях-мишенях.
Выраженным эффектом андрогенов в метаболизме является повышение
активности синтеза белков, роста костей. Недостаток тестостерона приводит к
снижению синтеза белков тканей, ожирению, утрачивается волосяной покров.
Функции семенников находятся под контролем ЛГ и ФСГ передней доли
гипофиза. В семенниках при участии тестостерона вырабатывается также 17эстрадиол, женский половой гормон. Таким образом, эффекты тестостерона
связаны не только с ним самим, но и с семейством его метаболитов.
Печень является основным органом метаболизма тестостерона. Период
распада андрогенов составляет около 20 минут. Продукты их распада
конъюгируют и экскретируются через почки в виде сульфатов и глюкуронидов.
Женские половые гормоны. Женские половые гормоны – эстрогены и
прогестерон, синтез которых протекает в яичниках, плаценте, надпочечниках в
возрастающих
количествах
во
второй
стадии
беременности
и
носит
циклический характер.
Наиболее активные эстрогены (от греч. oistros – страстное влечение) эстрадиол, эстрон – образуется в яичниках, тогда как плацента образует как эти
стероиды, так и эстриол. Основная функция гормонов яичников – подготовка
женской половой системы к размножению: созревание примордиальных
зародышевых клеток, развитие тканей для имплантации бластоцисты, контроль
времени
овуляции,
обеспечение
регуляции
родов
и
лактации.
Они
способствуют также росту и дифференцировке молочных желез, синтезу
белков, задержке воды в тканях и определяют телосложение женского типа.
257
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для молекул всех трех нативных эстрогенов (стероиды состоят из 18
атомов углерода) свойственно наличие фенольного кольца с гидроксигруппой в
положении 3 и метильной группой в положении 18. Их предшественником
является холестерол.
Эстрогены оказывают эффекты на основные обмены веществ организма,
включая усиление липогенеза в жировой ткани, синтез ряда белков в печени,
включая трансферрин, церулоплазмин. Эстрогены, подобно андрогенам,
оказывают влияние на формирование костной ткани, на сердечнососудистую
систему, на процесс свертывания крови. Места рецепторов для эстрадиола
выявлены в матке, влагалище, молочной железе, мозге и в других тканяхмишенях. Образование эстрогенов находится под контролем гипоталамуса,
фолликулостимулирующего и лютеинизирующего гормонов передней доли
гипофиза.
Другим женским половым гормоном является прогестерон, продукцию
которого стимулирует только ЛГ. Это гормон желтого тела яичника и
плаценты. Он необходим для фиксации оплодотворенного яйца к слизистой
матки и для развития эмбриона в первой половине беременности, стимулирует
развитие ткани молочной железы. Органом-мишенью для прогестерона и
яйцевод кур, где он стимулирует синтез специфического белка-авидина. В
период беременности холестерол крови является основным предшественником
прогестерона в плаценте. Корова считается беременной, если концентрация
прогестерона составляет 1 – 2 нг/мл крови. В норме продукция прогестерона
составляет 3 – 5 мг в сутки, тогда как в конце беременности его количество
достигает 30 – 50 мг в сутки. Поэтому прогестерон рассматривается как гормон
беременности. В плазме крови прогестерон циркулирует в виде комплекса с
белком транскортином.
Во время беременности животного функционирует плацента, которая
продуцирует хорионический гонадотропин, глюкопротеин с молекулярной
массой 100 тысяч. Он обладает активностью ЛГ, но имеет иную аминокислоту
последовательность и иммунологически отличается от ЛГ. Его основная
258
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
функция – поддержать существование желтого тела до тех пор, пока плацента
начнет синтез прогестерона (С21). В плаценте синтезируются также и
эстрогены.
Определенные запасы эстрогенов и прогестерона имеются в жировой
ткани. Эти стероиды имеют также явную печеночно-кишечную циркуляцию,
они быстро появляются в желчи в конъюгированной форме и подобно
холестерину, поступают в кишечник, реабсорбируясь через воротную вену
обратно
в
печень.
В
отличие
от
этих
гормонов,
андрогены
и
андренокортикоиды экскретируются в восстановленной форме в мочу.
Для получения женских половых гормонов используют мочу жеребых
кобыл. В ветеринарной практике находит применение синтетический препарат
синэстрол, обладающий эстрогенной активностью.
Гормональная активность тимуса
Известно, что в тимусе (thymus) из поступающих в него стволовых клеток
костного мозга дифференцируются и созревают субпопуляции Т-лимфоцитов,
обладающих хелперной, супрессорной или киллерной активностью. В процессе
пролиферации и дифференцировки под влиянием веществ, выделяемых
тимусом, образуются сначала предшественники – лимфоциты тимуса, а из них
–
Т-лимфоциты,
рассматривается
десятилетия
поступающие
как
было
кровь.
центральный
убедительно
новорожденных животных
уменьшением
в
числа
Тимус
лимфоидный
показано,
сопровождается
лимфоидных
(вилочковая
орган.
что
удаление
быстрым
клеток
За
и
железа)
последние
тимуса
снижением
у
роста,
неспособностью
к
иммунологическим реакциям.
Из тимуса выделено пять биологически активных факторов: тимозин,
гомеостатический тимусный гормон, тимопоэтин I, тимопоэтин II, тимусный
гуморальный фактор. Определена их молекулярная масса и установлена
химическая структура. Все они являются полипептидами.
259
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Синтезируемые и выделяемые тимусом гормоны влияют на скорость
развития и созревания лимфоидных клеток. Так, тимозин участвует в
превращении стволовых лимфоидных клеток в иммунологически компетентные
Т-лимфоциты. В присутствии тимозина и антигенной стимуляции появляются
«обученные» Т-лимфоциты. Тимопоэтин I и тимопоэтин II индуцируют
дифференциацию Т-клеток, способствуют их созреванию и обучению в тимусе,
усиливают активность лимфоцитов на различные митогены. Нарушение
функции тимуса в раннем постнатальном периоде приводят к ослаблению или
отсутствию как клеточного, так и гуморального иммунитета.
Выработка
гипофизом
или
гормонов
косвенно
тимусом
через
контролируется
гормоны
щитовидной
непосредственно
железы,
коры
надпочечников, половые гормоны. Следует учитывать, что лимфоидная ткань
является мишенью не только для гормонов тимуса, но и для гормонов ряда
других эндокринных желез. Поэтому в случае удаления тимуса во взрослом
организме нарушения иммунологической реактивности наблюдается через
значительный
промежуток
времени.
Кроме
того,
способные
к
иммунологическому ответу лимфоидные клетки существуют довольно долго.
Хотя в целом итоговый эффект гормонов тимуса заключается в
обеспечении иммунологической реактивности организма, наличие нескольких
гормонов этой эндокринной железы не является случайным. Это объясняется
тем, что популяция лимфоидных клеток неоднородна и разные гормоны
оказывают влияние на определенный подкласс этих клеток. Вероятно, что
каждый гормон тимуса имеет свою специфичность на клетки-мишени.
В настоящее время ряд биологически активных препаратов, полученных
из тимуса (тималин), или их синтетические аналоги (тимоген) с успехом
используются в ветеринарной практике для коррекции тимусзависимых
первичных и вторичных иммунодефицитных состояний.
260
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Гормоны диффузной эндокринной системы
Синтез гормонов может происходить и в органах, которые обычно не
включается в число эндокринных. Так, желудочно-кишечный тракт животного
секретирует четыре основных пептидных гормона: гастрин, соматостатин,
секретин,
холецистокинин.
Желудочно-кишечный
тракт
содержит
значительную часть всех гормонообразующих клеток организма, однако они не
сконцентрированы, а разбросаны среди других клеток на всем протяжении
тракта. Такое расположение имеет определенное значение, обеспечивая
согласованную функцию различных отделов пищеварительной системы.
Гастрин – мелкий пептидный гормон, состоящий из 17 (гастрин-17) или
34
(гастрин-34)
аминокислот,
вырабатывается
слизистой
оболочкой
пилорической части желудка. Активная часть структуры гастрина включает
лишь пять аминокислот, поэтому искусственный «пентагастрин» может
использоваться для стимуляции секреции HCl и пепсина в желудке. Гастрин
находят в G-клетках желудка и двенадцатиперстной кишки, но он может быть
секретирован неопластическими клетками поджелудочной железы, вызывая
синдром повышения кислотности. Мишенью его действия служат обкладочные
клетки слизистой оболочки желудка. Гастрин стимулирует секрецию соляной
кислоты. Гастрин индуцирует синтез фермента гистидиндекарбоксилазы,
которая превращает гистидин в гистамин. Последний активирует фермент
аденилатциклазу с образованием цАМФ. цАМФ действует на протеинкиназу.
Протеинкиназа, в свою очередь, фосфорилирует карбоангидразу, участвующую
в образовании соляной кислоты. Однако следует полагать, что механизм
действия гастрина более сложен и не может быть объяснен исключительно
образованием гистамина. Гастрин стимулирует секрецию уже рассмотренных
выше гормонов поджелудочной железы глюкагона, инсулина, кальцитонина.
G-клетки слизистой желудка тесно связаны с клетками, продуцирующими
соматостатина – ингибирующий фактор секреции гастрина. Стимуляция этих
клеток, например холецистокинином, действует по принципу обратной связи и
блокирует высвобождение гастрина. Поступление белковых компонентов
261
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
корма в желудок вызывает секрецию гастрина. Период полураспада гастрина
составляет 6 – 15 минут. Гастрин является медиатором физиологических
реакций начальной стадии переваривания корма в ответ на нервные и
химические стимулы. При очень выраженной кислотности среды желудка
продукция гастрина снижается.
Антагонистом гастрина является секретин – гормон слизистой оболочки
двенадцатиперстной кишки. Этот гормон-пептид из 27 аминокислотных
остатков влияет на секрецию сока поджелудочной железы, богатого NaHCO3.
Бикарбонат
натрия
необходим
для
нейтрализации
соляной
кислоты
желудочного сока, поступающей в двенадцатиперстную кишку, способствует
выделению сока с обычным электролитным составом, но с недостаточной
ферментативной активностью. Инициатором образования секретина является
наличие кислого содержимого в двенадцатиперстной кишке. Аналогичным
действием обладает и соматостатин. Секретин действует синергически с
холецистокинином.
Клетки слизистой двенадцатиперстной кишки наряду с секретином
выделяют и гормон холецистокинин. Этот гормон стимулирует выработку сока,
богатого ферментами. Кроме того, он способствует сокращению желчного
пузыря, выделению инсулина и глюкагона, стимулирует сокращение желудка и
перистальтику кишечника. Выработка холецистокинина происходит в ответ на
поступление в просвете двенадцатиперстной кишки липидов, полипептидов и
аминокислот.
Многие ткани организма животного в дополнение к эндокринным
железам, печени, почкам, содержат ферменты, которые метаболизируют
стероиды. Эти ферменты являются дегидрогеназами и гидроксилазами.
Например,
превращение
тестостерона
в
5-α-дигидротестостерон
осуществляется 5-α-редуктазой, а превращение тестостерона в эстрадиол
связано с ферментным комплексом ароматазы. Эти реакции имеют место в
коже, жировой ткани, мозге.
262
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Наличие тесной связи между гипоталамо-гипофизарной системой,
другими эндокринными железами и органами-мишенями, где непосредственно
под влиянием гормонов или с помощью веществ-интермедиаторов изменяется
ферментативная активность, и составляет биохимическую сущность понятия
нейрогуморальной регуляции обмена веществ.
Эйкозаноиды.
Почти
все
клетки,
за
исключением
эритроцитов,
продуцируют эйкозаноиды – 20-углеродные соединения (от греч. eikosil –
двадцать), к которым относятся простагландины, тромбоксаны, лейкотриены,
простациклины. Для их синтеза не требуется специализированные железы
внутренней секреции.
Эйкозаноиды являются
местными
(тканевыми,
внутриклеточными)
гормонами. Продолжительность существования эйкозаноидов не превышает
одной минуты. Их активность проявляется лишь вблизи мест синтеза, что
отличает их от описанных ранее гормонов эндокринных желез. Эйкозаноиды
постоянно синтезируются в клетках и поступают на их поверхность, где быстро
распадаются под влиянием ферментных систем в межклеточной жидкости.
Эйкозаноиды изменяют активность клеток, в которых они синтезируются в
очень малых количествах (10-9 г). При активации клетки под влиянием какоголибо типа химического сигнала степень синтеза эйкозаноидов увеличивается.
Физиологические эффекты эйкозаноидов варьируют от одного типа
клеток к другому. Они связаны с развитием лихорадки, сократительной
деятельности гладкой мускулатуры, секреторной функцией желудка, секрецией
стероидных гормонов,
гемодинамикой
почек,
активность
тромбоцитов,
контролем транспорта ионов сквозь мембраны, функцией синапсов. Их
продукция
стимулируется
активностью
разнообразных
рецепторов
на
поверхности клеток для гормонов, факторов роста, нейромедиаторов, токсинов.
Непосредственным
предшественником
эйкозаноидов
является
арахидоновая кислота фосфолипидов мембран многих клеток. Поэтому данная
кислота является лимитирующим фактором синтеза эйкозаноидов (рисунок 44).
263
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Фосфолипиды мембран и леток
Aфосфолипаза А2
Арахидоновая кислота
Лейкотриены
Циклооксигеназа
Простагландин Н2
Другие простагландины: Д2, Е2, J2, F2
Простациклины
Тромбоксаны
Рисунок 44 - Схема синтеза эйкозаноидов
Простагландины
были
впервые
обнаружены
в
семенной
плазме
предстательной железы барана, этим объясняется их название (от англ. prostate
gland
-
предстательная
простагландинов
который
железа).
представлена
катализирует
Система
ферментов
простагландин-синтетазным
окислительную
циклизацию
биосинтеза
комплексом,
полиненасыщенных
жирных кислот в мембранах эндоплазматического ретикулума. С точки зрения
химического строения простагландины представляют монокарбоновую кислоту
(С20) с кольцом циклопентана в углеродной цепи с одной или двумя двойными
связями. Все простагландины является производными простаноевой кислоты.
Увеличение уровня свободного кальция в цитоплазме приводит к
стимуляции активности фосфолипазы А2 при гидролизе эфиров фосфолипидов
цитоплазматических мембран. Это сопровождается выходом свободной
арахидоновой кислоты, которая в зависимости от преобладания того или иного
фермента окисляется в цитозоле в определенный класс простагландинов.
Будучи амфифильными, простагландины легко проходят сквозь двойной слой
липидов мембран клетки в межклеточную жидкость, где и взаимодействуют с
определенными рецепторами поверхности клеток.
264
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Образование
простагландинов
связано
с
действием
различных
специфических ферментов, присутствие которых варьируется в зависимости от
типа клеток и тканей. Так, в почках и селезенке в основном вырабатываются
простагландины Е2 и F2, тогда как кровеносные сосуды продуцируют
простагландин J2. Простагландин Н2 является предшественником при синтезе
других простагландинов.
Простагландины регулируют многие физиологические процессы в тканях.
Часто эффекты простагландинов опосредованы действием циклических
нуклеотидов (цАМФ, цГМФ).
Под влиянием простагландинов наиболее изучена стимуляция гладких
мышц матки, что обусловило использование простагландина F2, в качестве
средства для прерывания беременности. Простациклины являются, вероятно,
метаболитами простагландинов в кровеносных сосудах. Простагландины Е
обладают хорошим эффектом при лечении отдельных язв желудка, снижая
секрецию HCl. Они оказывают стимулирующий эффект на двигательную
активность кишечника животного.
Метаболизм простагландинов полностью зависит от поступления в
организм полиненасыщенных жирных кислот. При их дефиците в кормах
снижается продукция простагландинов в организме животного. Эфиры
холестерина, включающие арахидоновую кислоту, также могут служить
источником этой кислоты для синтеза простагландинов. В инактивации
простагландинов важную роль, вероятно, играют легкие.
Термин «тромбоксан» происходит от факта, что эти вещества обладают
тромбоформирующим потенциалом. В их структуре циклопентан заменен 6членным кислосодержащим (октан) циклом.
Тромбоксан А2 – основной активный метаболит простагландинов,
образующийся в тромбоцитах, способствует свертыванию крови, сужению
артерий.
Тромбоксаны
и
прстациклины
оказывают
противоположные
биологические влияния. если тромбоксан сокращает гладкую мускулатуру
сосудов и способствует агрегации тромбоцитов, то простациклин расслабляет
265
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
гладкую мускулатуру стенки кровеносного сосуда и тормозит агрегацию
тромбоцитов. Тромбоксан мобилизует внутриклеточные запасы ионов кальция
и через них обеспечивает стимуляцию сократительных белков тромбоцитов.
Следует
обусловлены
отметить,
аномальным
что
сердечные
образованием
приступы
тромбов.
и
инсульты
Период
часто
полураспада
тромбоксана А2 очень короткий – 1 минута.
Производными
арахидоновой
кислоты
является
и
другой
класс
соединений – лейкотриены. Это непредельные соединения, содержащие в своей
структуре три сопряженные двойные связи.
Лейкотриен В4 вовлекается в функции эозинофилов и нейтрофилов,
стимулируя их миграцию (хемотаксис). Другие лейкотриены (С4 и D4) являются
гуморальными агентами, которые способствуют в большей мере, чем гистамин,
сокращению
гладких
мышц
дыхательных
путей,
трахеи,
кишечника,
вовлекаются в изменения капиллярной проницаемости.
Отдельные вещества нарушают обмен простагландинов. В частности,
аспирин (эффективное антивоспалительное средство), индометацин блокируют
активность циклооксигеназы, необходимого фермента для превращения
арахидоновой кислоты в простагландины. Стероидные гормоны надпочечников
также блокируют синтез простагландинов. Простагландины в больших
количествах вырабатываются в очаге воспаления и являются естественными
медиаторами воспалительного процесса. Часто воспалительные реакции
вовлекают суставы (ревматоидный артрит), кожу. При этом для лечения
используются кортикостероиды, которые угнетают синтез простагландинов и
таким образом снижают степень воспаления.
Простагландины. Простагландины представляют собой вещества,
выполняющие функции местных гормонов. По химической природе они
являются производными арахидоновой кислоты. Первые два представителя
простагландинов – простагландины G2 и Н2 – содержат пероксидную группу.
266
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Простагландин Н2 служит предшественником простагландинов семейства
Е2, семейства F2 и тромбоксанов А2 (содержат шестичленный гетероцикл).
К настоящему времени установлено, что простагландины синтезируются
в клетках практически всех органов и тканей организмов человека и животных.
Это
короткоживущие,
чрезвычайно
нестабильные
соединения,
которые
действуют в небольших количествах и оказывают биологический эффект по
месту
своего
образования.
Описано
множество
физиологических
и
фармакологических проявлений действия простагландинов на разные клетки. В
частности,
они
участвуют
в
воспалительном
процессе
(усиливают
воспалительную реакцию). Аспирин инактивирует ферменты, катализирующие
превращения арахидоновой кислоты в простагландины, этим и объясняется его
противовоспалительное действие.
Простагландины и их синтетические аналоги применяются в качестве
лекарственных
препаратов
в
акушерстве
для
стимуляции
родовой
деятельности, предупреждения и лечения тромбозов, снижения артериального
давления и т.д.
Фитогормоны. К настоящему времени получен достаточно обширный
материал по фитогормонам – соединениям, выполняющим функции гормонов в
растениях. К ним можно отнести: ауксины, цитокинины, абсцизины,
гиббереллины
и этилен.
Фитогормоны регулируют многие
процессы
жизнедеятельности растений, начиная от прорастания семян и заканчивая
созреванием плодов. В отличие от животных организмов в растениях не
существует специальных органов, синтезирующих гормоны, тем не менее
обнаружены
некоторые
органы
растений,
в
которых
наблюдается
концентрирование гормонов. Например, ауксинами богаты верхушечные
меристемы стебля, гиббереллинами – листья, цитокининами – корни и
созревающие семена. Следует отметить и особенности биохимического
действия фитогормонов: на более ранних стадиях развития растений
преобладают цитокинины и гиббереллины, а на более поздних – ауксины.
267
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рассмотрим
структурно-функциональные
особенности
основных
представителей фитогормонов.
Ауксины – производные индола, основными из которых является
гетероауксин, индолилуксусная кислота (ИУК), нафтилуксусная кислота
(НУК) и др.:
Ауксины необходимы в первую очередь для инициации репликации ДНК.
Так, ИУК регулирует процессы, лежащие в основе морфогенеза: деление, рост
и дифференциацию клеток.
Цитокинины – производные 6-аминопурина; синтезируются в корнях
растений и транспортируются оттуда в места усиленного роста. Их функция
заключается в стимуляции клеточного деления. Фурановое производное 6аминопурина – кинетин – обладает всеми свойствами цитокининов, вследствие
чего его часто относят к фитогормонам:
Абсцизины – производные абсцизовой кислоты (АБК), оптически
активного сесквитерпеноида:
АБК выполняет следующие биологические функции:
1) торможение роста тканей и органов растения (т.е. она выступает в
качестве антагониста ростовых фитогормонов);
2) улучшение регуляции водного режима растения;
3) инициация процесса опадения созревших плодов;
4) предотвращение преждевременного прорастания семян в плодах. АБК
часто называют «стресс-гормоном» ввиду ее исключительного действия при
неблагоприятных для жизни растений условиях.
Гиббереллины представляют собой класс тетрациклических карбоновых
кислот, из которых наиболее изучена гибберелловая кислота (ГК):
ГК стимулирует как деление клеток, так и их растяжение. Характерным
действием ГК является ускорение деления клеток верхушечных меристем
побега. Отмечено, что ГК оказывает физиологическое действие при ничтожно
малых концентрациях (~ 10-10 моль/л).
268
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Гормональная функция в растениях одного из простейших углеводородов
– этилена – состоит в стимуляции процессов созревания и опадения плодов,
листьев и цветов. Биогенетическим предшественником этилена в растительной
клетке является аминокислота метионина, а промежуточным – продукт ее
превращения
1-аминоциклопропанкарбоновая
кислота.
В
присутствии
кислорода метионин подвергается ферментативному превращению в этилен.
Благодаря перечисленным свойствам этилен применяют в сельском
хозяйстве при сборе фруктов, для сокращения сроков созревания плодов, для
индуцирования цветения ананасов, увеличения выхода латекса из гевеи и др.
Широкий
спектр
физиологической
активности
фитогормонов
и
достигнутые с их помощью успехи в реализации морфогенетического
потенциала растений в настоящее время позволили считать фитогормональную
функцию основным фактором управления морфогенезом in vitro. В последние
годы накоплен огромный фактический материал, касающийся действия
фитогормонов на разных этапах развития культуры изолированных клеток,
тканей и органов. Сделаны важные обобщения, позволяющие приблизится к
пониманию физиологических особенностей морфогенеза. Но выяснение
молекулярных механизмов действия фитогормонов – пока еще нерешенная
задача биохимии растений.
Получение и применений гормонов
В настоящее время разработаны методики химического синтеза многих
непептидных и низкомолекулярных пептидных гормонов. Полипептидные и
белковые гормоны выделяют путем экстракции из эндокринных желез
крупного рогатого скота. Разработана методика получения некоторых гормонов
(в том числе инсулина и гормона роста), основанная на принципах генной
инженерии. Для этого ген, ответственный за синтез того или иного гормона,
включают в генном бактерий, которые после этого приобретают способность
синтезировать данный гормон. Так как бактерии активно размножаются, за
269
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
короткое время оказывается возможным наработать довольно значительные
количества нужного гормона.
Гормоны использовались первоначально в случаях недостаточности
какой-либо из желез внутренней секреции для замещения или восполнения
возникшего гормонального дефицита. Первым эффективным гормональным
препаратом был экстракт щитовидной железы овцы, примененный в 1891
английским врачом Г.Марри для лечения микседемы. На сегодняшний день
гормональная
терапия
способна
восполнить
недостаточную
секрецию
практически любой эндокринной железы; прекрасные результаты дает и
заместительная терапия, проводимая после удаления той или иной железы.
Гормоны могут использоваться также для стимуляции работы желез.
Гонадотропины, например, применяют для стимуляции половых желез, в
частности для индукции овуляции.
Кроме заместительной терапии, гормоны и гормоноподобные препараты
используются и для других целей. Так, избыточную секрецию андрогена
надпочечниками при некоторых заболеваниях подавляют кортизоноподобными
препаратами. Другой пример – использование эстрогенов и прогестерона в
противозачаточных таблетках для подавления овуляции.
Гормоны могут применяться и как агенты, нейтрализующие действие
других медикаментозных средств; при этом исходят из того, что, например,
глюкокортикоиды стимулируют катаболические процессы, а андрогены –
анаболические. Поэтому на фоне длительного курса глюкокортикоидной
терапии (скажем, в случае ревматоидного артрита) нередко дополнительно
назначают анаболические средства для снижения или нейтрализации ее
катаболического действия.
Часто гормоны применяют как специфические лекарственные средства.
Так, адреналин, расслабляющий гладкие мышцы, очень эффективен в случаях
приступа бронхиальной астмы. Гормоны используются и в диагностических
целях. Например, при исследовании функции коры надпочечников прибегают к
270
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ее стимуляции, вводя пациенту АКТГ, а ответ оценивают по содержанию
кортикостероидов в моче или плазме.
В настоящее время препараты гормонов начали применяться почти во
всех областях медицины. Гастроэнтерологи используют кортизоноподобные
гормоны при лечении регионарного энтерита или слизистого колита.
Дерматологи лечат угри эстрогенами, а некоторые кожные болезни –
глюкокортикоидами; аллергологи применяют АКТГ и глюкокортикоиды при
лечении астмы, крапивницы и других аллергических заболеваний. Педиатры
прибегают к анаболическим веществам, когда необходимо улучшить аппетит
или ускорить рост ребенка, а также к большим дозам эстрогенов, чтобы закрыть
эпифизы (растущие части костей) и предотвратить таким образом чрезмерный
рост.
При трансплантации органов используют глюкокортикоиды, которые
уменьшают шансы отторжения трансплантата. Эстрогены могут ограничивать
распространение метастазирующего рака молочной железы у больных в период
после менопаузы, а андрогены применяются с той же целью до менопаузы.
Урологи используют эстрогены, чтобы затормозить распространение рака
предстательной железы. Специалисты по внутренним болезням обнаружили,
что целесообразно использовать кортизоноподобные соединения при лечении
некоторых типов коллагенозов, а гинекологи и акушеры применяют гормоны
при терапии многих нарушений, прямо не связанных с гормональным
дефицитом.
Основные механизмы действия гормонов
С химической природой гормонов обычно коррелирует механизм их
действия.
1 Гормоны первой группы (белки, пептиды и производные аминокислот):
действие на мембранные рецепторы.
271
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Гормоны
первой
группы,
как
правило, внутрь клеток не проникают, а
действуют на специальные рецепторы
(R),
имеющиеся
на
плазматических
мембранах клеток-мишеней.
Это запускает цепочку процессов:
1) за счет повышения или снижения
активности
специального
фермента
(аденилатциклазы, Е1) в клетке меняется
концентрация
внутриклеточного
"медиатора", т.е. посредника (чаще всего
в такой роли выступает цАМФ
–
циклический аденозинмонофосфат);
2) меняется активность зависимого от
посредника регуляторного фермента
(обычно
это
специфическая
протеинкиназа, ПК, фосфорилирующая определённый фермент метаболизма);
3) меняется активность одного или нескольких регулируемых ферментов
(Е)-- в результате их химической модификации - например, фосфорилирования
или дефосфорилирования.
272
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
II
Гормоны
второй
группы
(cтероиды): влияние на активность генов
Гормоны стероидной природы чаще
всего действуют, проникая внутрь клетки
(благодаря своей гидрофобности, они могут
диффундировать
через
клеточную
мембрану);
- в цитозоле они связываются с белковым
рецептором (R) и проходят в клеточное
ядро;
- здесь этот комплекс (гормон-рецептор)
влияет на сродство регуляторных белков к
определённым участкам ДНК.
В итоге, меняется скорость синтеза тех или
иных ферментных и структурных белков
Таким образом,
при первом механизме действия гормонов меняется
активность белков (в т.ч. ферментов), а при втором - скорость их синтеза.
273
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
13 Регуляция обмена воды и минеральных веществ
Минеральный
обмен
–
совокупность
процессов
всасывания,
распределения, усвоения и выделения минеральных веществ, находящихся в
организма преимущественно в виде неорганических соединений.
Всего в организме обнаруживается свыше 70 элементов таблицы Д.И.
Менделеева, 47 из них присутствуют постоянно и называются биогенными.
Минеральные вещества играют важную роль в поддержании кислотноосновного равновесия, осмотического давления, системе свертывания крови,
регуляции многочисленных ферментных систем и пр., т.е. имеют решающее
значение в создании и поддержании гомеостаза.
По количественному содержанию
в организме
они делятся
на
макроэлементы, если их больше чем 0,01 % от массы тела (К, Са, Мg, Na, P, Cl)
и микроэлементы (Mn, Zn, Cr, Cu, Fe, Co, Al, Se). Основную часть
минеральных веществ организма составляют хлористые, фосфорнокислые и
углекислые соли натрия, кальция, калия, магния. Соли в жидкостях организма
находятся в частично или полностью диссоциированном виде, поэтому
минеральные вещества присутствуют в виде ионов – катионов и анионов.
Функции минеральных веществ:
1) пластическая (кальций, фосфор, магний);
2) поддержание осмотического давления (калий, натрий, хлор);
3) поддержание буферности биологических жидкостей (фосфор, калий,
натрий);
4) поддержание коллоидных свойств тканей (все элементы);
5) детоксикационная (железо в составе цитохрома Р-450, сера в составе
глутатиона);
6) проведение нервного импульса (натрий, калий);
7) участие в ферментативном катализе в качестве кофактора или
ингибитора;
274
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8) участие в гормональной регуляции (йод, цинк и кобальт входят в
состав гормонов).
13.1 Промежуточный и конечный обмен минеральных веществ
Поступают минеральные вещества в организм в свободном или связанном
виде. Ионы всасываются уже в желудке, основная часть минеральных веществ
– в кишечнике путем активного транспорта при участии белков – переносчиков.
Из желудочно-кишечного тракта поступают в кровь и лимфу, где связываются
со специфическими транспортными белками. Выделяются минеральные
вещества главным образом в виде солей и ионов.
С мочой: натрий, калий, кальций, магний, хлор, кобальт, йод, бром, фтор.
С калом: железо, кальций, медь, цинк, марганец, молибден, и тяжелые металлы.
13.2 Характеристика отдельных элементов
Натрий – основной катион внеклеточного отдела. Составляет 0,08 %
от массы тела. Играет главную роль в поддержании осмотического давления.
При отсутствии или ограничении в поступлении натрия в организм его
выделение с мочой почти полностью прекращается. Всасывается в верхнем
отделе тонкого кишечника при участии белков-переносчиков и требует затраты
АТФ. Суточная потребность варьирует в зависимости от
водно-солевого
обеспечения организма. Депонируется в коже и мышцах. Кишечная потеря
натрия происходит при диареях.
Хлор – важнейший анион внеклеточного пространства. Составляет
0,06 % от массы тела. Большая часть его содержится в желудочном соке.
Участвует в поддержании осмотического равновесия. Активирует амилазу и
пептидазы. Всасывается в верхних отделах кишечника, выделяется в основном
с мочой. Концентрация хлора и натрия обычно изменяются параллельно.
275
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Калий – составляет 0,25 % от массы тела. Во внеклеточном
пространстве содержится только 2 % от общего количества, а остальное - в
клетках, где связан с углеводными соединениями. Всасывается на протяжении
всего желудочно-кишечного тракта. Часть калия откладывается в печени и
коже, а остальная поступает в общий кровоток. Обмен очень быстро протекает
в мышцах, кишечнике, почках и печени. В эритроцитах и нервных клетках
более медленный обмен калия. Играет ведущую роль в возникновении и
проведении нервного импульса. Необходим для синтеза белков (на 1 г белка –
20 мг ионов калия), АТФ, гликогена, принимает участие в формировании
потенциала покоя. Выделяется в основном с мочой и меньше с калом.
Кальций – внеклеточный катион. Составляет 1,9 % от массы тела.
Содержание повышается в период роста или беременности. Функционирует как
составная часть опорных тканей или мембран, участвует в проведении нервного
импульса и инициации мышечного сокращения, является одним из факторов
гемокоагуляции.
Обеспечивает
целостность
мембран
(влияет
на
проницаемость), т. к. способствует плотной упаковке мембранных белков.
Кальций ограничено участвует в поддержании осмотического равновесия.
Вместе с инсулином активирует проникновение глюкозы в клетки. Всасывается
в верхнем отделе кишечника. Степень его усвоения зависит от рН среды (соли
кальция в кислой среде нерастворимы). Жиры и фосфаты препятствуют
всасыванию кальция. Для полного усвоения из кишечника необходимо наличие
активной формы витамина Д3
Большая часть кальция содержится в костной ткани (99 %) в составе
микрокристаллов карбонатапатита
3Са2(РО4)2 · СаСО3 и гидроксилапатита
3Са2(РО4)2·СаОН. Общий кальций крови включает три фракции: белок
связанный, ионизированный и неионозированный (который находится в составе
цитрата, фосфата и сульфата).
Магний – составляет 0,05 % от массы тела. В клетках его содержится в
10 раз больше, чем во внеклеточной жидкости. Многого магния в мышечной и
276
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
костной ткани, также в нервной и печеночной. Образует комплексы с АТФ,
цитратом, рядом белков.
Неорганический фосфор - содержится преимущественно в костной
ткани. Составляет 1 % от массы тела. В плазме крови при физиологических рН
фосфор на 80 % представлен двухвалентным и на 20 % одновалентным
анионом фосфорной кислоты. Фосфор входит в состав коферментов,
нуклеиновых кислот, фосфопротеинов, фосфолипидов. Вместе с кальцием
фосфор образует апатиты – основу костной ткани.
Медь входит в состав многих ферментов и биологически активных
металлопротеинов. Участвует в синтезе коллагена и эластина. Является
компонентом цитохрома с электронтранспортной цепи.
Сера – составляет 0,08 %. Поступает в организм в связанном виде в
составе АК и сульфат-ионов. Входит в состав желчных кислот и гормонов. В
составе глутатиона участвует в биотрансформации ядов.
Железо входит в состав железосодержащих белков и гема гемоглобина,
цитохромов, пероксидаз.
Цинк – является кофактором ряда ферментов.
Кобальт входит в состав витамина В12.
13.3 Обмен воды и электролитов
Водно-электролитный обмен это совокупность процессов поступления,
всасывания, распределения и выделения из организма воды и электролитов. Он
обеспечивает постоянство ионного состава, кислотно-основного равновесия и
объема жидкостей внутренней среды организма. Ведущую роль в нем играет
вода.
Функции воды:
1) внутренняя среда организма;
2) структурная;
3) всасывание и транспорт веществ;
277
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4) участие
в
биохимических
реакциях
(гидролиз,
диссоциация,
гидратация, дегидратация);
5) конечный продукт обмена;
6) выделение при участии почек конечных продуктов обмена.
Содержание воды в организме варьирует в зависимости от органов и
тканей. Мозг – от 70 % до 84 %, почки – 82 %, сердце и легкие – 79 %, мышцы
– 76 %, кожа – 72 %, печень – 70 %, костная ткань – 10 %.
Вода, которая поступает алиментарным (с пищей) путем называется
экзогенной,
а
образовавшаяся
в
качестве
продукта
биохимических
превращений – эндогенной.
Вода у взрослого человека составляет 60 % от массы тела, а у
новорожденного — 75 %. Она является средой, в которой осуществляются
процессы обмена веществ в клетках, органах и тканях. Непрерывное
поступление воды в организм является одним из основных условий
поддержания его жизнедеятельности. Основная масса (около 71 %) всей воды в
организме входит в состав протоплазмы клеток, составляя так называемую
внутриклеточную воду. Внеклеточная вода входит в состав тканевой, или
интерстициалъной, жидкости (около 21 %) и воды плазмы крови (около 8 %).
Баланс воды складывается из ее потребления и выделения. С пищей человек
получает в сутки около 750 мл воды, в виде напитков и чистой воды — около
630 мл. Около 320 мл воды образуется в процессе метаболизма при окислении
белков, углеводов и жиров. При испарении с поверхности кожи и альвеол
легких в сутки выделяется около 800 мл воды. Столько же необходимо для
растворения экскретируемых почкой осмотически активных веществ при
максимальной осмолярности мочи. 100 мл воды выводится с фекалиями.
Следовательно, минимальная суточная потребность составляет около 1700 мл
воды.
Поступление воды регулируется ее потребностью, проявляющейся
чувством жажды. Это чувство возникает при возбуждении питьевого центра
гипоталамуса.
278
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Различают истинную и ложную жажду. Истинная жажда обусловлена
уменьшением содержания воды в крови, ее сгущением. Через рецепторы
кровеносных сосудов сигнал передается в центр жажды, расположенный в
гипоталамусе,
возбуждение
которого
вызывает
ощущение
жажды.
Ложная жажда обусловлена подсыханием слизистой полости рта, возникающей
во время чтения, докладов, лекций; при высокой внешней температуре;
возбуждении симпатического отдела вегетативной нервной системы; нервном
напряжении; стрессовых ситуациях. При этом состоянии нет надобности во
введении жидкости в организм.
13.4 Регуляция обмена воды
Вазопрессин. Пептидный гормон, синтезируемый в гипоталамусе и
секретируемый из нейрогипофиза, имеет мембранный механизм действия. Этот
механизм в клетках - мишенях реализуется через аденилатциклазную систему.
Роль вазопрессина следующая:
1) вызывает сужение периферических сосудов (артериол);
2) повышает артериальное давление;
3) в почках вазопрессин повышает скорость реабсорбции воды из
начальной части дистальных извитых канальцев и собирательных трубочек.
Считается, что действие вазопрессина связано с фосфорилированием белков
апикальной
мембраны
почки,
в
результате
чего
увеличивается
ее
проницаемость.
Секреция вазопрессина увеличивается при повышении осмотического
давления плазмы крови. Например, при повышенном потреблении соли или при
обезвоживании организма. При поражении гипофиза, в случае нарушения
секреции вазопрессина наблюдается состояние - несахарный диабет - резкое
увеличение объема мочи (до 4-5 л) с низким удельным весом.
279
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Адреналин.
1
Он
повышает
артериальное
давление,
частоту
сердечных
сокращений, минутный объем сердца.
2
В умеренных дозах вызывает расширение сосудов внутренних
органов, в том числе почек.
Все перечисленные эффекты адреналина направлены на увеличение
тока крови через клубочки. Это приводит к усилению фильтрации плазмы в
клубочках почек, т. е. к увеличению объема первичной мочи. Как следствие
этого, увеличивается и объем вторичной мочи, т. е. увеличивается выведение
жидкости с мочой.
Минералокортикоиды. Альдостерон. Альдостерон - это стероидный
гормон коры надпочечников из группы минералкортикоидов. Как и другие
гормоны этой группы, он усиливает реабсорбцию натрия из дистальной части
почечного канальца благодаря активному транспорту. Особенностью действия
этого гормона является то, что он начинает активно секретироваться при
значительном снижении концентрации натрия в плазме крови. В случае очень
низких концентраций натрия в плазме крови под действием альдостерона
может происходить практически полное удаление натрия из мочи. Усиление
реабсорбции натрия влечет за собой и задержку воды в организме.
Гиперсекреция альдостерона (первичный альдостеронизм) приводит к задержке
натрия и воды - затем развивается отек и гипертония, вплоть до сердечной
недостаточности. Недостаточность альдостерона приводит к состоянию,
которое характеризуется значительной потерей натрия, хлоридов и воды и
уменьшению объема плазмы крови. Кроме того, в почках одновременно
нарушаются процессы секреции Н+ и NH4+ и это может приводить к ацидозу.
Тироксин. Гормон щитовидной железы тироксин увеличивает выведение
жидкости из организма внепочечным путем. Он увеличивает теплообразование,
разобщая
окисление
потоотделение.
280
и
фосфорилирование
-
тем
самым
усиливает
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При недостатке этого гормона развивается слизистый отек микседема. При этом наблюдается накопление жидкости внутри клеток.
Инсулин - при недостатке этого гормона наблюдается глюкозурия, что
приводит к полиурии.
При одномоментном употреблении большого количества жидкости она
уходит в ДЕПО: печень, клетчатку кожи, брюшную и плевральную полости.
Организм человека существует как единое целое благодаря системе
внутренних связей, которая обеспечивает передачу информации от одной
клетки к другой в одной и той же ткани или между разными тканями. Без этой
системы невозможно поддерживать гомеостаз. В передаче информации между
клетками в многоклеточных живых организмах, принимают участие три
системы: центральная нервная система (ЦНС), эндокринная система (железы
внутренней секреции) и иммунная система.
Способы передачи информации во всех названных системах химические. Посредниками при передаче информации могут быть сигнальные
молекулы.
К таким сигнальным молекулам относятся четыре группы веществ:
эндогенные биологически активные вещества (медиаторы иммунного ответа,
факторы роста и др.), нейромедиаторы, антитела (иммуноглобулины) и
гормоны.
281
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14
Биохимия
крови.
Биохимические
особенности
метаболизма эритроцитов. Синтез гемоглобина. Роль печени в
обмене
веществ.
Основные
биохимические
лабораторные
показатели крови
Организм человека имеет специальные системы, которые осуществляют
непрерывную связь между органами и тканями и обмен организма продуктами
жизнедеятельности с окружающей средой. Одной из таких систем, наряду с
интерстициальной жидкостью и лимфой, является кровь.
Функции крови:
1) питание тканей и выделение продуктов метаболизма;
2) дыхание тканей и поддержание кислотно-щелочного баланса и водноминерального баланса;
3) транспорт гормонов и других метаболитов;
4) защита от чужеродных агентов;
5) регуляция температуры тела путем перераспределения тепла в
организме.
Клеточные элементы крови находятся в жидкой среде - плазме крови.
Если свеже взятую кровь оставить в стеклянной посуде при комнатной
температуре (20 0С), то через некоторое время образуется кровяной сгусток
(тромб), после формирования, которого останется жидкость желтого цвета сыворотка крови. Она отличается от плазмы крови тем, что в ней нет
фибриногена и некоторых белков (факторов) системы свертывания крови. В
основе свертывания крови лежит превращение фибриногена в нерастворимый
фибрин. В нитях фибрина запутываются эритроциты. Нити фибрина можно
получить путем длительного перемешивания свеже взятой крови, наматывая на
палочку образующийся фибрин. Так можно получить дефибринированную
кровь.
282
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для получения цельной крови, пригодной для переливания больному,
способной храниться длительное время, в емкость для взятия крови
необходимо
добавить
антикоагулянты
(вещества,
препятствующие
свертыванию крови).
Масса крови в сосудах человека составляет примерно 20 % от массы тела.
55 % массы крови составляет плазма, остальная часть приходится - форменные
элементы плазмы крови (эритроциты, лейкоциты, лимфоциты, тромбоциты).
Состав плазмы крови:
 90 % - вода;
 от 6 % до 8 % - белки;
 2 % - органические небелковые соединения;
 1 % - неорганические соли.
14.1 Белковые компоненты плазмы крови
Методом высаливания можно получить три фракции белков плазмы
крови:
1) альбумины – от 54 % до 62 %;
2) глобулины:
1-глобулины от 2,5 % до5 %;
2-глобулины от 8,5 % до 10 %;
-глобулины от 12 % до 15 %;
-глобулины от 15,5 % до 21 %;
3) фибриноген (остается на старте) - от 2 % до 4 %.
Современные методы позволяют получить свыше 60 индивидуальных
белков плазмы крови.
Количественные соотношения между белковыми фракциями постоянны у
здорового человека. Иногда нарушаются количественные соотношения между
различными
фракциями
плазмы
крови.
Это
явление
называется
283
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
диспротеинкмия. Бывает, что содержание общего белка плазмы при этом не
нарушается.
Иногда содержание общего белка плазмы понижается. Такое явление
известно как гипопротеинемия. Может развиться:
а) при длительном голодании;
б) когда есть патология почек (потеря белка с мочой).
Реже, но иногда встречается гипопротеинемия - повышение содержания
белка в плазме выше, чем 80 г/л. Такое явление характерно для состояний, при
которых происходит значительные потери жидкости организмом: неукротимая
рвота,
профузный
понос
(при
некоторых
тяжелых
инфекционных
заболеваниях: холера, тяжелая форма дизентeрии).
14.2 Характеристики отдельных белковых фракций
Альбумины. Альбумины – простые низкомолекулярные гидрофильные
белки. В молекуле альбумина содержится 600 аминокислот. Альбумины, как и
большинство других белков плазмы крови, синтезируются в печени. Примерно
40 % альбуминов находится в плазме крови, остальное количество - в
интерстициальной жидкости и в лимфе.
Функции альбуминов определяются их высокой гидрофильностью и
высокой концентрацией в плазме крови.
1 Поддержание онкотического давления плазмы крови. Поэтому при
уменьшении содержания альбуминов в плазме падает онкотическое давление, и
жидкость выходит из кровяного русла в ткани. Развиваются "голодные" отеки.
Альбумины обеспечивают около 80 % онкотического давления плазмы. Именно
альбумины легко теряются с мочой
при заболеваниях почек. Поэтому они
играют большую роль в падении онкотического давления при таких
заболеваниях, что приводит к развитию «почечных» отеков.
2 Альбумины – это резерв свободных аминокислот в организме,
образующихся в результате протеолитического расщепления этих белков.
284
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3 Транспортная функция. Альбумины транспортируют в крови многие
вещества, особенно такие, которые плохо растворимы в воде: свободные
жирные кислоты, жирорастворимые витамины, стероиды, некоторые ионы
(Ca2+, Mg2+). Для связывания кальция в молекуле альбумина имеются
специальные кальцийсвязывающие центры. В комплексе с альбуминами
транспортируются
многие
лекарственные
препараты,
например,
ацетилсалициловая кислота, пенициллин.
Глобулины. В отличие от альбуминов глобулины не растворимы в воде, а
растворимы в слабых солевых растворах.
1- глобулины
В эту фракцию входят разнообразные белки. 1-глобулины имеют
высокую гидрофильность и низкую молекулярную массу - поэтому при
патологии почек легко теряются с мочой. Однако их потеря не оказывает
существенного влияния на онкотическое давление крови, потому что их
содержание в плазме крови невелико.
Функции 1-глобулинов
1 Транспортная. Транспортируют липиды, при этом образуют с ними
комплексы - липопротеины. Среди белков этой фракции есть специальный
белок,
предназначенный для транспорта гормона щитовидной железы
тироксина - тироксин-связывающий белок.
2 Участие в функционировании системы свертывания крови и системы
комплемента - в составе этой фракции находятся также некоторые факторы
свертывания крови и компоненты системы комплемента.
3 Регуляторная функция. Некоторые белки фракции 1-глобулинов
яляются эндогенными ингибиторами протеолитических ферментов. Наиболее
высока в плазме концентрация 1-антитрипсина. Содержание его в плазме от 2
до 4 г/л (очень высокое). Главная его функция - угнетение эластазы - фермента,
гидролизующего эластин (один из основных белков соединительной ткани). 1антитрипсин также является ингибитором протеаз:
тромбина, плазмина,
трипсина, химотрипсина и некоторых ферментов системы свертывания крови.
285
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Количество этого белка увеличивается при воспалительных заболеваниях, при
процессах клеточного распада, уменьшается при тяжелых заболеваниях печени.
Это уменьшение - результат нарушения синтеза 1-антитрипсина, и связано оно
с
избыточным
расщеплением
эластина.
Существует
врожденная
недостаточность 1-антитрипсина. Считают, что недостаток этого белка
способствует переходу острых заболеваний в хронические.
К фракции 1-глобулинов относят также 1-антихимотрипсин. Он
угнетает химотрипсин и некоторые протеиназы форменных элементов крови.
2- глобулины.
Высокомолекулярные белки. Эта фракция содержит регуляторные белки,
факторы свертывания крови, компоненты системы компемента, транспортные
белки.
Сюда относится и церулоплазмин. Этот белок имеет 8 участков
связывания меди. Он
является переносчиком
меди, а также обеспечивает
постоянство содержания меди в различных тканях, особенно в печени. При
наследственном заболевании - болезни Вильсона - уровень церулоплазмина
понижается. Вследствие этого повышается концентрация меди в мозге и
печени. Это проявляется развитием неврологической симптоматики, а также
циррозом печени.
Гаптоглобины. Содержание этих белков составляет приблизительно 1/4
часть от всех 2-глобулинов. Гаптоглобин образует специфические комплексы
с гемоглобином, освобождающимся из эритроцитов при внутрисосудистом
гемолизе. Вследствие высокой молекулярной массы этих комплексов они не
могут выводиться почками. Это предотвращает потерю железа организмом.
Комплексы
гемоглобина
ретикуло-эндотелиальной
с
системы
гаптоглобином
(клетки
разрушаются
системы
клетками
мононуклеарных
фагоцитов), после чего глобин расщепляется до аминокислот, гем разрушается
до билирубина и экскретируется желчью, а железо остается в организме, и
может быть реутилизировано. К этой же фракции относится и 2макроглобулин.Концентрация этого белка в плазме крови 1,5-3 г/л. Он является
эндогенным ингибитором протеиназ всех классов, а также связывает гормон
286
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
инсулин. Время полужизни 2-макроглобулина очень малое - 5 минут. Это
универсальный “чистильщик” крови, комплексы “2-макроглобулин-фермент”
способны сорбировать на себе иммунные пептиды, например, интерлейкины,
факторы роста, фактор некроза опухолей, и выводить их из кровотока.
С1-ингибитор - гликопротеид, является основным регуляторным звеном в
классическом пути активации комплемента (КПК), способен угнетать плазмин,
калликреин. При недостатке С1-ингибитора развивается ангионевротический
отек.
- глобулины
К этой фракции относятся некоторые белки системы свертывания крови и
подавляющее большинство компонентов системы активации комплемента (от
С2 до С7).
Основу
Плотности
фракции
(ЛПНП)
-глобулинов
(Подробнее
о
составляют
липопротеины
липопротеинах:
смотрите
низкой
лекции
“Метаболизм липидов»).
C-реактивный белок. Содержится в крови здоровых людей в очень низких
концентрациях ,менее 10 мг/л. Его функция неизвестна. Концентрация
С-
реактивного белка значительно увеличивается при острых воспалительных
заболеваниях. Поэтому С-реактивный белок называют белком "острой фазы" (к
белкам острой фазы относятся также альфа-1-антитрипсин, гаптоглобин).
γ - глобулины
В этой фракции содержатся в основном антитела - белки, синтезируемые
в лимфоидной ткани и в клетках РЭС, а также некоторые компоненты системы
комплемента.
Функция антител - защита организма от чужеродных агентов (бактерии,
вирусы, чужеродные белки), которые называются АНТИГЕНАМИ.
Главные классы антител в крови:
- иммуноглобулины G (IgG);
- иммуноглобулины M (IgM);
287
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- иммуноглобулины A (IgA), к которым относятся IgD и IgE.
Только IgG и IgM способны активировать систему комплемента. Среактивный белок также способен связывать и активировать С1-компонент
комплемента, но эта активация непродуктивна и приводит к накоплению
анафилотоксинов. Накопившиеся анафилотоксины вызывают аллергические
реакции.
К группе гамма-глобулинов относится также криоглобулины. Это белки,
которые способны выпадать в осадок при охлаждении сыворотки. У
здоровых людей их в сыворотке нет. Они появляются у больных с
ревматическим артритом,
Среди
миеломной
криоглобулинов
болезнью.
существует белок фибронектин. Это
высокомолекулярный гликопротеин. Он присутствует в плазме крови и на
поверхности
тромбоцитов,
многих
клеток
(макрофагов,
эндотелиальных
клеток,
фибробластов).
Функции фибронектина:
1) обеспечивает взаимодействие клеток друг с другом;
2) способствует адгезии тромбоцитов;
3) предотвращает
метастазирование
опухолей. Плазменный
фибронектин является опсонином - усиливает фагоцитоз. Играет важную
роль
в очищении крови от продуктов распада белков,
например, распада
коллагена. Вступая в связь с гепарином, участвует в регуляции процессов
свертывания
крови.
В настоящее время этот белок широко изучается и
используется для диагностики особенно при состояниях, сопровождающихся
угнетением системы макрофагов (сепсис и др.)
Интерферон - это гликопротеин. Обладает видовой специфичностью.
Вырабатывается в клетках в ответ на внедрение в них вирусов. У здорового
человека его концентрация в плазме мала. Но при вирусных заболеваниях
его концентрация увеличивается.
288
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14.3 Строение молекулы иммуноглобулина
Молекулы
всех классов иммуноглобулинов имеют сходное строение.
Разберем их строение на примере молекулы IgG. Это сложные белки, которые
являются гликопротеинами и обладают четвертичной структурой (рисунок 45).
Рисунок 45 - Схема строения молекулы иммуноглобулина
В состав белковой части иммуноглобулина
входят всего 4
полипептидные цепи: 2 одинаковые легкие и 2 одинаковые тяжелые цепи. С
помощью дисульфидных (-S-S-) связей (мостиков) тяжелые цепи соединены
между собой, и легкие цепи также удерживаются около тяжелых цепей.
Если раствор иммуноглобулина обработать протеолитическим ферментом
папаином, то молекула иммуноглобулина гидролизуется с образованием 2-х
вариабельных участков и одной константной части.
Легкая цепь, начиная с N-конца, и такой же по длине участок Н-цепи
формируют вариабельный участок - Fab-фрагмент. Аминокислотный состав
Fab-фрагмента очень сильно различается у разных иммуноглобулинов. Fab фрагмент может связываться с соответствующим антигеном слабыми типами
связей.
Именно
иммуноглобулина
иммуноглобулина
этот
со
участок
своим
выделяют
обеспечивает
специфичность
антигеном.
В
пределах
также
Fc-фрагмент
связи
молекулы
- константная
289
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(одинаковая) для всех иммуноглобулинов часть молекулы. Формируется за
счет Н-цепей . Есть участки, взаимодействующие с первым компонентом
системы комплемента (или с рецепт орами на поверхности определенного
типа клеток). Кроме того, Fc - фрагмент обеспечивает иногда прохождение
иммуноглобулина через биологическую мембрану, например, через плаценту.
Взаимодействие Fab-фрагмента
со
своим
антигеном
приводит
к
значительному изменению конформации всей молекулы иммуноглобулина.
При этом становится доступным тот или иной участок в пределах Fcфрагмента.
Взаимодействие
компонентом
этого
системы комплемента
открывшегося
или с
центра
с
первым
рецепторами клетки,
что
приводит к образованию иммунного комплекса "антиген-антитело".
Синтез иммуноглобулинов значительно отличается от синтеза других
белков. Каждая из L-цепей кодируется группой из 3-х различных генов, а Нцепь - четырьмя генами. Таким образом обеспечивается огромное разнообразие
структуры антител, их специфичность к различным антигенам. В организме
человека
потенциально
возможен
синтез
приблизительно
1
миллиона
различных антител.
Фибриноген. Это белок, на который направлено действие системы
свертывания крови. При свертывании крови фибриноген превращается в
фибрин, который нерастворим в воде и выпадает в виде нитей. В этих нитях
запутываются форменные элементы крови и, таким образом, формируется
кровяной сгусток (тромб).
14.4 Белки-ферменты плазмы крови
По функции белки-ферменты плазмы крови делят на:
а)
собственно
ферменты
плазмы
-
выполняют
специфичные
метаболические функции в плазме. К собственно ферментам плазмы относятся
такие протеолитические системы, как система комплемента, система регуляции
сосудистого тонуса и некоторые другие;
290
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
б) ферменты, поступающие в плазму в результате повреждения того или
иного органа, той или иной ткани в результате разрушения клеток. Обычно не
выполняют в плазме метаболическую
представляет
крови
в
интерес
функцию.
Однако
для медицины
определение активности некоторых из них в плазме
диагностических
целях
(трансаминазы,
лактатдегидрогеназа,
креатинфосфокиназа и др.)
14.5 Органические небелковые соеденения плазмы
Делятся на две группы:
Первая группа - азотсодержащие небелковые компоненты
В состав небелкового азота крови входит
азот промежуточных
и
конечных продуктов обмена простых и сложных белков. Раньше небелковый
азот называли "остаточный азот" (остается после осаждения белков):
- азот мочевины (50 %);
- азот аминокислот (25 %);
- низкомолекулярные пептиды;
- креатин;
- креатинин;
- билирубин;
- индикан;
- некоторые другие азотсодержащие вещества.
При
некоторых
заболеваниях
почек, а также при патологии,
сопровождающейся массивным разрушением белков (например, тяжелые
ожоги), может повышаться небелковый азот крови, т.е наблюдается азотемия.
Однако наиболее часто нарушается не общее содержание небелкового азота в
крови, а соотношение между отдельными компонентами небелкового азота.
Поэтому сейчас в плазме определяют азот отдельных компонентов.
В понятие " остаточный азот" включают и низкомолекулярные пептиды.
Среди низкомолекулярных пептидов есть много
пептидов, обладающих
291
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
высокой
биологической
активностью
(например, гормоны
пептидной
природы). Подробнее о них - см. лекцию по теме “Протеолиз”.
Вторая группа - безазотистые органические вещества
К безазотистым (не содержат азот) органическим веществам плазмы
крови относятся:
1) углеводы, липиды и продукты их метаболизма (глюкоза, ПВК, лактат,
кетоновые тела, жирные кислоты, холестерин и его эфиры и др.).
2) минеральные вещества крови.
14.6 Клетки крови и особенности их метаболизма
Эритроциты. Главная функция - транспорт газов: перенос О2 и СО2.
Он возможен
благодаря
большому
содержанию гемоглобина и высокой
активности фермента карбоангидразы.
Зрелые эритроциты не имеют ядер,
лизосом.
рибосом,
митохондрий,
Поэтому обмен эритроцитов имеет ряд особенностей:
1) в зрелых эритроцитах не идут реакции биосинтеза белков;
2) образование энергии - только путем гликолиза, субстрат -
только глюкоза.
В эритроцитах существуют механизмы предохранения гемоглобина от
окисления:
1) активно протекает ГМФ-путь распада глюкозы, дающий
НАДФ.H2;
2) высока концентрация глютатиона - пептида, содержащего SHгруппы.
Эритроциты - высокоспециализированные клетки, которые переносят
кислород от лёгких к тканям и диоксид углерода, образующийся при
метаболизме, из тканей к альвеолам лёгких. Транспорт О2 и СО2 в этих клетках
осуществляет гемоглобин, составляющий 95 % их сухого остатка. Организм
взрослого человека содержит около 25×1012 эритроцитов, при этом каждые
292
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сутки обновляется примерно 1 % этого количества клеток, т.е. в течение одной
секунды в кровоток поступает около 2 млн эритроцитов.
Особенности строения и дифференцировки эритроцитов. Эритроциты
- единственные клетки, доторые имеют только клеточную мембрану и
цитоплазму. Дифференцировка стволовых клеток в специализированные
происходит в клетках костного мозга и заканчивается
в кровотоке.
Особенности строения эритроцитов соответствуют их функциям: большая
площадь поверхности обеспечивает эффективность газообмена, эластичная
клеточная мембрана облегчает движение по узким капиллярам, специальная
ферментативная сисгема защищает эти клетки от активных форм кислорода.
Дифференцировка эритроцитов. Эритроциты, так же как и другие
клетки крови, образуются из полипотентных стволовых клеток костного мозга
(рисунок 46).
Размножение и превращение начальной клетки эритроидного ряда в
унипотентную стимулирует ростовой фактор интерлейкин-3. Интерлейкин-3
синтезируется Т-лимфоцитами, а также клетками костного мозга. Это
низкомолекулярный
белок
группы
цитокинов
-
регуляторов
роста
и
дифференцировки клеток.
Дальнейшую пролиферацию и дифференцировку унипотентной клетки
эритроидного
ряда
регулирует
синтезирующийся
в
почках
гормон
эритропоэтин. Скорость образования эритропоэтина в почках зависит от
парциального давления кислорода. При недостатке кислорода скорость
образования гормона повышается и, соответственно, количество эритроцитов
тоже увеличивается. Хроническая почечная недостаточность сопровождается
снижением образования эритропоэтина в почках, что приводит к развитию
анемии.
В процессе дифференцировки на стадии эритробласта происходят
интенсивный синтез гемоглобина, конденсация хроматина, уменьшение
размера ядра и его удаление. Образующийся ретикулоцит ещё содержит
глобиновую мРНК и активно синтезирует гемоглобин. Циркулирующие в крови
293
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ретикулоциты лишаются рибосом, ЭР, митохондрий и в течение двух суток
превращаются в эритроциты. Стволовая клетка превращается в эритроцит за
две недели. Эритроциты не содержат ядра и поэтому не способны к
самовоспроизведению и репарации возникающих в них повреждений. Эти
клетки циркулируют в крови около 120 дней и потом разрушаются
макрофагами в печени, селезёнке и костном мозге.
Строение эритроцитов. Двояковогнутая форма эритроцитов имеет
большую площадь поверхности по сравнению с клетками сферической формы
такого же размера. Это облегчает газообмен между клеткой и внеклеточной
средой. Кроме того, такая форма, а также особенности строения мембраны и
цитоскелета
обеспечивают
большую
пластичность
эритроцитов
при
прохождении ими мелких капилляров.
Важную роль в сохранении формы и способности к обратимой
деформации эритроцитов играют липиды и белки плазматической мембраны.
Рисунок 46 - Схема дифференцировки стволовых клеток костного мозга в
зрелые эритроциты
294
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Липиды бислоя плазматической мембраны эритроцитов, так же, как
плазматические мембраны других клеток, содержат глицерофосфолипиды,
сфингофосфолипиды, гликолипиды и холестерол. Увеличение содержания
холестерола в составе мембраны, которое может наблюдаться при некоторых
заболеваниях, снижает её текучесть и эластичность, а следовательно, и
способность к обратимой деформации. Это, в свою очередь, затрудняет
движение эритроцитов через капилляры и может способствовать развитию
гемостаза. Около 60 % массы мембранных белков приходится на спектрин,
гликофорин и белок полосы 3 (называется так по расположению этой белковой
фракции на электрофореграмме относительно других белков). Интегральный
гликопротеин гликофорин присутствует только в плазматической мембране
эритроцитов (рисунок 46). К N-концевой части белка, расположенной на
наружной поверхности мембраны, присоединено около 20 олигосахаридных
цепей. Олигосахариды гликофорина - антигенные детерминанты системы групп
крови АВО.
Спектрин
-
периферический
мембранный
белок,
нековалентно
связанный с цитоплазматической поверхностью липидного бислоя мембраны.
Он представляет собой длинную, тонкую, гибкую фибриллу и является
основным белком цитоскелета эритроцитов. Спектрин состоит из α- и βполипептидных цепей, имеющих доменное строение; α- и β-цепи димера
расположены антипараллельно, перекручены друг с другом и нековалентно
взаимодействуют во многих точках. Спектрин может прикрепляться к
мембране и с помощью белка анкирина. Этот крупный белок соединяется с βцепью спектрина и цитоплазматическим доменом интегрального белка
мембраны - белка полосы 3.
295
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Каждый димер спектрина состоит из
двух антипараллельных,
нековалентносвязанных
между
собой α- и β-полипептидных цепей
(А). Белок полосы 4.1 образует со
спетрином
и
актином
комплекс",
который
"узловой
посредством
белка полосы 4.1 связывается с
цитоплазматическим
доменом
гликофорина. Анкирин соединяет
спектрин с основным интегральным
белком плазматической мембраны белком
полосы
3
цитоплазматической
(Б).
На
поверхности
мембраны эритроцита имеется
гибкая
сетеобразная
состоящая
из
обеспечивающая
структура,
белков
и
пластичность
эритроцита при прохождении им
А - Строение спектрина;
через мелкие капилляры (В).
Б -околомембранного белкового комплекса;
В -цитоскелета эритроцитов.
Рисунок 47 - Строение спектрина
Спектрин на мембране, но и уменьшает скорость диффузии белка полосы
3 в липидном слое. Таким образом, на цитоплазматической поверхности
эритроцитов образуется гибкая се-тевидная структура, которая обеспечивает
сохранение их формы при прохождении через узкие капилляры сосудов
(рисунок 47).
296
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Интегральный белок полосы 3 - белок-переносчик ионов С1- и НСО3через плазматическую мембрану эритроцитов по механизму пассивного
антипорта. В разделе 1 подробно описана роль эритроцитов в газообмене.
Поступающий из тканей в эритроциты СО2 под действием фермента
карбоангидразы превращается в слабую угольную кислоту, которая распадается
на Н+ и НСО3-. Образующиеся при этом протоны присоединяются к
гемоглобину, уменьшая его сродство к О2, а бикарбонаты с помощью белка
полосы 3 обмениваются на Cl- и выходят в плазму крови.
Н2О + СО2 → Н2СО3 → Н+ + НСО3- → обмен на Сl- .
В лёгких увеличение парциального давления кислорода и взаимодействие
его с гемоглобином приводят к вытеснению протонов из гемоглобина, обмену
внутриклеточного Сl- на НСО3- через белок полосы 3, образованию угольной
кислоты и её разрушению на СО2 и Н2О.
Мембранный фермент Nа+, К+-АТФ-аза обеспечивает поддержание
градиента концентраций Na+ и К+ по обе стороны мембраны. При снижении
активности Na+, К+-АТФ-азы концентрация Na+ в клетке повышается, так как
небольшие ионы могут проходить через мембрану простой диффузией. Это
приводит к увеличению осмотического давления, увеличению поступления
воды в эритроцит и к его гибели в результате разрушения клеточной мембраны
- гемолизу.
Са2+-АТФ-аза - ещё один мембранный фермент, осуществляющий
выведение из эритроцитов ионов кальция и поддерживающий градиент
концентрации этого иона по обе стороны мембраны.
14.7 Метаболизм глюкозы в эритроцитах
Эритроциты лишены митохондрий, поэтому в качестве энергетического
материала они могут использовать только глюкозу. В эритроцитах катаболизм
глюкозы обеспечивает сохранение структуры и функции гемоглобина,
целостность мембран и образование энергии для работы ионных насосов.
297
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глюкоза поступает в эритроциты путём облегчённой диффузии с помощью
ГЛЮТ-2. Около 90 % поступающей глюкозы используется в анаэробном
гликолизе, а остальные 10 % - в пентозофосфатном пути.
Конечный продукт анаэробного гликолиза лактат выходит в плазму крови
и
используется
в
других клетках,
прежде
всего
гепатоцитах.
АТФ,
образующийся в анаэробном гликолизе, обеспечивает работу Nа+, К+-АТФ-азы
и поддержание самого гликолиза, требующего затраты АТФ в гексокиназной и
фосфофруктокиназной реакциях.
Важная особенность анаэробного гликолиза в эритроцитах по сравнению
с другими клетками - присутствие в них фермента бисфосфоглицератмутазы.
Бисфосфоглицератмутаза катализирует образование 2,3-бисфосфоглицерата из
1,3-бисфосфоглицерата (рисунок 48). Образующийся только в эритроцитах 2,3бисфосфоглицерат служит важным аллостерическим регулятором связывания
кислорода
гемоглобином.
пентозофосфатном
пути,
Глюкоза
в
эритроцитах
окислительный
этап
используется
которого
и
в
обеспечивает
образование кофермента NADPH, необходимого для восстановления глутатиона.
Рисунок 48 - Метаболизм 2,3-бисфосфоглицерата в эритроцитах.
298
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14.8 Обезвреживание активных форм кислорода в эритроцитах
Большое содержание кислорода в эритроцитах определяет высокую
скорость
образования
водорода
(Н2О2)
и
супероксидного
гидроксил
анион-радикала
радикала
(ОН.).
(О2-),
Эритроциты
пероксида
содержат
ферментативную систему, предотвращающую токсическое действие активных
форм кислорода и разрушение мембран эритроцитов. Постоянный источник
активных форм кислорода в эритроцитах - неферментативное окисление
гемоглобина в метгемоглобин
В течение суток до 3 % гемоглобина может окисляться в метгемоглобин.
Метгемоглобинредуктазная сисгема восстанавливает метгемоглобин в
гемоглобин. Метгемоглобинредуктазная сисгема состоит из цитохрома B5 и
флавопротеина цитохром B5 редуктазы, донором водорода для которой служит
NADH, образующийся в глицеральдегиддегидрогеназной реакции гликолиза.
Цитохром B5 восстанавливает Fe3+ метгемог-лобина в Fe2+
Hb-Fe3+ + цит. b5 восст. → HbFe2+ + цит. b5 ок. .
Окисленный
цитохром
B5 далее
восстанавливается
цитохром
B5
редуктазой
Цит. B5 ок + NADH → цит. B5 восст. + NAD+.
Супероксидный анион с помощью фермента супероксидцисмутазы
превращается в пероксид водорода
O2- + O2- + Н+ → H2О2 + O2 .
Пероксид
водорода
разрушается
каталазой и содержащим
селен
ферментом глутатионпероксидазой. Донором водорода в этой реакции служит
глутатион - трипептид глутамилцистеинилглицин (GSH).
2Н2О → 2Н2О + О2; 2GSH + 2Н2О2 → GSSG + 2Н2О .
299
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окисленный глутатион (GSSG) восстанавливается NADPH-зависимой
глутатионредуктазой. Восстановление NADP для этой реакции обеспечивают
окислительные реакции пентозофосфатного пути.
14.9 Hарушения метаболизма эритроцитов
Энзимопатии,
обусловливающие
гемолиз
эритроцитов.
Для
эффективного обезвреживания активных форм кислорода, образующихся в
эритроцитах, необходимы все перечисленные выше ферментативные системы
защиты. Однако у людей обнаружено около 3000 генетических дефектов
глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы.
Этот
фермент
катализирует
скорость-
лимитирующую реакцию пентозофосфатного пути окисления глюкозы, которая
обеспечивает образование NADPH + Н+. Как известно, от количества NADP +
Н+
зависит активность
глутатионредуктазы и
глутатионпероксидазы
-
ферментов, разрушающих пероксид водорода.
Лейкоциты. Клетки, выполняющие защитные функции - способны к
фагоцитозу.
В
лейкоцитах много активных протеаз,
расщепляющих
чужеродные белки. В момент фагоцитоза увеличивается выработка перекиси
водорода
и увеличивается
активность
пероксидазы,
что
способствует
окислению чужеродных частиц (антибактериальное действие). Лейкоциты
богаты внутриклеточными низкоспецифичными протеиназами - катепсинами,
локализованными в лизосомах. Катепсины способны к практически тотальному
протеолизу белковых молекул. В лизосомах лейкоцитов в значительных
количествах содержатся и другие ферменты: например, рибонуклеазы и
фосфатазы.
14.10 Главнейшие протеолитические системы крови
Плазма крови содержит несколько протеолитических систем. В составе
этих систем - протеиназы, участвующие в защитных и регуляторных реакциях
300
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
организма. В отличие от тканевых, плазменные протеиназы пространственно не
разделены. Поэтому они могут свободно взаимодействовать между собой.
Активация плазменных протеиназ относится к группе процессов,
объединенных под общим названием «гетерогенный катализ», и протекает
эффективно при связывании с чужеродными поверхностями.
К основным протеолитическим системам крови относятся, кининовая и
ренин-ангиотензиновая:
1) система свертывания крови и фибринолиза;
2) система комплемента, как одна из составных частей иммунной защиты
организма;
3) кининовая система;
4) ренин-ангиотензиновая система.
Эти системы
обеспечивают
различные функции,
но в работе их
соблюдются общие принципы:
1) это - многокомпонентные мультиферментные системы, в которых
продукт предыдущей реакции служит ферментом для следующей реакции;
2) большинство
компонентов
этих
систем
является
протеолитическими ферментами. Они в виде проферментов циркулируют в
крови и активируются только в определенных условиях;
3) эти системы
обладают свойством усиливать первично
слабый
сигнал. Они работают по принципу каскадности, то есть их работа приводит
к быстрому
нарастающему
увеличению
количества
активных
форм
ферментов;
4) системы
саморегулируются
по
принципу
положительной
и
отрицательной обратной связи.
Система свертывания крови и фибринолиза.
Это единая система, которая выполняет следующие функции:
1) поддержание крови в сосудах в жидком состоянии;
2) осуществление гемостаза (предотвращение больших кровопотерь).
301
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Гемостаз - сложный ферментативный процесс, в результате которого
образуется кровяной сгусток.
Система свертывания крови - это многокомпонентная система, в состав
которой входят белки, фосфолипиды, обломки клеточных мембран и ионы
кальция.
Компоненты системы
свертывания
крови
принято
называть
"факторами". Факторы бывают тканевыми, плазменными и тромбоцитарными.
Тканевые и плазменные факторы обозначаются
тромбоцитарные
-
арабскими.
римскими цифрами, а
Если фактор является активным, то за
цифрой ставится буква "а". Например, переход неактивного двенадцатого
фактора в активный можно обозначить так:
фXII ----------------> фXIIa
(неактивный)
(активный)
Большинство белков
системы
свертывания
крови
обладает
ферментативной активностью. Все факторы свертывания крови, кроме фXIII,
являются
сериновыми
протеиназами,
которые
катализируют реакции
ограниченного протеолиза.
В ходе реакций свертывания крови все
белки-ферменты
сначала
выступают в роли субстрата, а затем - в роли фермента. Среди белков,
участвующих в свертывании крови, есть такие, которые не
ферментативной активностью,
но
обладают
специфически ускоряют протекание
ферментативной реакции. Они называются параферментами. Это фV и фVIII.
Большинство факторов свертывания крови синтезируется в неактивной
форме в виде проферментов.
направлено
Проферменты активируются и их действие
на протекание прямой реакции свертывания крови - на
превращение фибриногена в фибрин, которой является основой кровяного
сгустка. На рисунке 49 показаны механизмы свертывания крови - внешний и
внутренний.
302
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 49– Механизмы свертывания крови - внешний и внутренний
Для
пуска
внешнего
механизма
необходим
первичный
сигнал:
повреждение тканей (клеток), оказавшихся в контакте с кровью, или
эндотелия сосуда. При этом разрушаются клеточные мембраны и из клеток
высвобождается
тканевой
тромбопластин (фIII). Он активирует фVII.
Активация фVII, а также все последующие реакции до активации
протромбина протекают на матрице, которая состоит из липопротеиновых
осколков
клеточных
мембран.
В
ходе
активации
фVII
происходит
конформационная перестройка его молекулы, в результате формируется
активный центр этого белка-фермента.
Активный фVIIa
ионом кальция. Этот
образует комплекс с тканевыми фосфолипидами и
комплекс
обладает
протеолитической активностью
и вызывает активацию фактора X.
Активный фактор Xа тоже обладает протеолитической активностью и
активирует протромбин.
Начальные стадии внутреннего механизма называются "контактная фаза"
или “контактная
стадия”.
Происходит контакт фXII с чужеродной
поверхностью (например, игла шприца, лезвие ножа, стекло). В результате
происходит конформационная перестройка фXII и он активируется - переходит
в фXIIa.
303
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Активация фXII,
а
также
последующие
реакции
внутреннего
механизма, так же, как и при внешнем механизме, протекают на матрице тромбопластине, который освобождается при разрушении тромбоцитов.
XIIa действует на XI, превращая его в XIa.
XIa действует на фIX (обязательно в присутствии ионов кальция!), и
переводит его в фIXa.
фIXa образует комплекс с тромбоцитарными фосфолипидами, ионами
кальция и параферментом - фVIIIa. В
составе
этого комплекса фIXa
обладает протеолитической активностью и переводит фX в фXa.
Следующие стадии, начиная с активации протромбина (фII), протекают
одинаково для обоих механизмов свертывания крови.
Протромбин - белок, который синтезируется в печени. Для синтеза
протромбина
необходим
витамин
К.
Реакция
синтеза
протромбина
катализируется
комплексом, состоящим из активного фXa, фосфолипидов,
иона
и парафермента Va. В ходе этой реакции резко уменьшается
кальция
сродство данного
комплекса
к
матрице
и
активный тромбин,или фIIa,
освобождается с матрицы и гидролизует пептидные связи между аргинином и
глутаминовой кислотой в молекуле своего субстрата - фибриногена, превращая
его в фибрин-мономер.
На следующей
образованием
стадии
мономеры фибрина спонтанно агрегируют с
регулярной полимерной структуры
"мягкого"
сгустка
растворимого фибрин-полимера. При этом происходит захват фибринполимером компонентов крови - формируется тромб (сгусток).
Сначала сгусток рыхлый и мягкий, связи между молекулами фибринполимера слабые (нековалентные). Но затем под действием активного фXIIIa
(фибриназа) (фXIII активируется фактором IIa - тромбином) происходит
прочная
ковалентная
“сшивка”
молекул
фибрин-полимера.
Образуются
межмолекулярные связи между карбоксильными группами глутамина и
аминогруппами лизина: так растворимый фибрин-полимер переходит в
нерастворимый фибрин-полимер.
304
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
После
образования нитей фибрина
происходит
их
сокращение
(ретракция кровяного сгустка), которое происходит с затратой АТФ.
Процесс тромбообразования постоянно контролируется антитромбином
III - ингибитором сериновых протеиназ. Кроме того, протекание большинства
реакций свертывания крови на матрице обеспечивает:
1) высокую эффективность процесса;
2) локальность процесса - процесс свертывания протекает только в месте
повреждения
(это
предотвращает
процесс
диссеминированного
внутрисосудистого свертывания (ДВС-синдром).
Скорость свертывания крови зависит не только от
работы системы
свертывания, но и от присутствия естественных антикоагулянтов - веществ,
предотвращающих свертывание крови.
14.11 Антикоагулянты
Естественные антикоагулянты синтезируются в тканях
в
кровь,
где
препятствуют
активации
и поступают
факторов свертывания крови. К
ним относятся гепарин, антитромбина- III и альфа-2-макроглобулин.
Гепарин предотвращает
непосредственно на
них не
активацию
действует.
некоторых
факторов,
но
Гепарин способен активировать
антитромбина-III. Обладая высоким отрицательным зарядом, гепарин
связывается с катионными участками антитромбина- III. В результате
изменяется конформация антитромбина- III
и он приобретает способность
инактивировать сериновые протеиназы.
альфа-2-макроглобулин - эндогенный ингибитор протеаз, в том числе
многих ферментов,
участвующих в работе системы свертывания крови и
фибринолиза (тромбин, плазмин).
Работа параферментов контролируется системой протеина “С”. Протеин
“С” - это гликопротеин, который содержит карбоксиглутаминовую кислоту, его
синтез зависит от витамина К. Существует в крови в виде профермента,
305
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
активируется тромбином. Активный протеин “С” активирует фV и фVIII,
переводя их в фVa и фVIIIa путем ограниченного протеолиза. В плазме крови
есть эндогенный ингибитор протеина “С”.
Считается,
что
система
свертывания
крови
работает
всегда:
одновременно происходит образование и растворение фибриновых сгустков
благодаря тому, что работа системы свертния крови уравновешивается работой
системы фибринолиза. Фибринолиз - это расщепление фибринполимера на
отдельные пептиды, которое катазируется ПЛАЗМИНОМ. Плазмин - сериновая
протеиназа, способен гидролизовать фибрин, фибриноген и др. Сам плазмин
образуется из плазминогена под действием АКТИВАТОРА ПЛАЗМИНОГЕНА.
Тканевой активатор плазминогена неактивен до тех пор, пока не вступит в
контакт с фибрином. Контактируя с
фибрином, он приобретает способность
активировать плазминоген. Когда фибрин будет гидролизован плазмином,
активатор плазминогена теряет свою активность.
Лимфа. В кровеносные сосуды ежедневно поступает от 1 до 2 литров
лимфы. Состав лимфы зависит от анатомического строения и расположения
лимфатических сосудов и для каждого человека индивидуален. В лимфе, по
сравнению с кровью, эритроцитов очень мало, а лимфоцитов - много.
Содержание белка в лимфе может быть от 0,2 % до 6 %. Соотношение
альбуминов и глобулинов равно 4/1. Это намного выше, чем в плазме крови.
14.12 Гемоглобин. Типы (виды) гемоглобина. Синтез гемоглобина.
Функция гемоглобина. Строение гемоглобина
Гемоглобин — это гемопротеин, окрашивающий эритроцит в красный
цвет после связывания молекулы O2 с ионом железа (Fe++). У мужчин в 1 л
крови содержится 157 (140—175) г гемоглобина, у женщин — 138 (123—153) г.
Молекула гемоглобина состоит из четырех субъединиц гема, связанных с
белковой частью молекулы — глобином, сформированной из полипептидных
цепей.
306
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 50- Синтеза гемоглобина у человека
Синтез гема протекает в митохондриях эритробластов. Синтез цепей
глобина осуществляется на полирибосомах и контролируется генами 11-й и 16й хромосом. Схема синтеза гемоглобина у человека представлена на рисунке
50.
Гемоглобин, содержащий две а- и две В-цепи, называется А-тип (от adult
— взрослый). 1 г гемоглобина А-типа связывает 1,34 мл O2. В первые три
месяца жизни плода человека в крови содержатся эмбриональные гемоглобины
типа Gower I (4 эпсилон цепи) и Gower II (2а и 25 цепи). Затем формируется
гемоглобин F (от faetus — плод). Его глобин представлен двумя цепями а и
двумя В. Гемоглобин F обладает на 20—30 % большим сродством к O2, чем
гемоглобин А, что способствует лучшему снабжению плода кислородом. При
рождении
ребенка
до
50—80
%
гемоглобина
у
него
представлены
гемоглобином F и 15—40 % — типом А, а к 3 годам уровень гемоглобина F
снижается до 2 %.
307
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Соединение гемоглобина с молекулой 02 называется оксигемоглобином.
Сродство
гемоглобина
к
кислороду
и
диссоциация
оксигемоглобина
(отсоединения молекул кислорода от оксигемоглобина) зависят от напряжения
кислорода (Р02), углекислого газа (РС02) в крови, рН крови, ее температуры и
концентрации 2,3-ДФГ в эритроцитах. Так, сродство повышают увеличение Р02
или снижение РС02 в крови, нарушение образования 2,3-ДФГ в эритроцитах.
Напротив, повышение концентрации 2,3-ДФГ, снижение Р02 крови, сдвиг рН в
кислую сторону, повышение РС02 и температуры крови — уменьшают
сродство гемоглобина к кислороду, тем самым облегчая ее отдачу тканям. 2,3ДФГ связывается с р-цепями гемоглобина, облегчая отсоединение 02 от
молекулы гемоглобина.
Увеличение концентрации 2,3-ДФГ наблюдается у людей, тренированных
к длительной физической работе, адаптированных к длительному пребыванию
в горах. Оксигемоглобин, отдавший кислород, называется восстановленным,
или дезоксигемоглобином. В состоянии физиологического покоя у человека
гемоглобин в артериальной крови на 97 % насыщен кислородом, в венозной —
на 70 %. Чем выраженней потребление кислорода тканями, тем ниже
насыщение
венозной
крови
кислородом.
Например,
при
интенсивной
физической работе потребление кислорода мышечной тканью увеличивается в
несколько десятков раз и насыщение кислородом оттекающей от мышц
венозной крови снижается до 15 %. Содержание гемоглобина в отдельном
эритроците составляет 27,5—33,2 пикограмма. Снижение этой величины
свидетельствует о гипохромном (т. е. пониженном), увеличение — о
гиперхромном (т. е. повышенном) содержании гемоглобина в эритроцитах.
Этот показатель имеет диагностическое значение. Например, гиперхромия
эритроцитов характерна для В|2-дефицитной анемии, гипохромия — для
железодефицитной анемии.
Печень. Печень – самая массивная железа и самый крупный непарный
орган человека. Она составляет около 2,5 % от массы тела, в среднем 1,5 кг у
взрослых мужчин и 1,2 кг у женщин. Печень располагается в области правого
308
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
подреберья и в норме не выступает за край реберной дуги, удерживаясь в этой
позиции за счет давления брюшного пресса.
Печень – мягкий, но плотный орган красно-коричневого цвета и состоит
обычно из четырех долей: большой правой доли, меньшей левой и гораздо
меньших хвостатой и квадратной долей, образующих заднюю нижнюю
поверхность печени. Каждая доля в свою очередь состоит из функциональных
единиц – долек (рисунок 51).
Правая и левая доли печени сверху разделяются серповидной связкой, на
которой как бы «подвешена» печень, а внизу правая и левая доли разделены
глубокой поперечной бороздой. В этой глубокой поперечной борозде находятся
так называемые ворота печению в этом месте в печень входят сосуды и нервы,
выходят отводящие желчь печеночные протоки. Малые печеночные протоки
постепенно объединяются в один общий. Общий желчный проток, включает в
себя проток желчного пузыря – специального резервуара, в котором
накапливается желчь. Общий
желчный проток впадает в 12ти перстную кишку, почти в
том же самом месте, где
впадает
в
нее
проток
поджелудочной железы.
Рисунок 51 – Строение печени
Кровообращение
печени
не
похоже
на
кровообращение
других
внутренних органов. Как все органы, печень снабжается артериальной кровью,
насыщенной кислородом из печеночной артерии. Через нее оттекает венозная
кровь, бедная кислородом и богатая углекислым газом, и впадает в воротную
вену.
Однако помимо этого обычного для всех органов кровообращения печень
получает большое количество крови, оттекающей от всего желудочно309
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
кишечного тракта. Все, что всасывается в желудке, 12-ти перстной кишке,
тонком и толстом кишечнике, собирается в большую воротную вену и впадает в
печень. Цель воротной вены не в том, чтобы снабдить печень кислородом и
избавить от углекислого газа, а в том, чтобы пропустить через печень все
питательные (и не питательные) вещества, которые всосались на протяжении
всего желудочно-кишечного тракта. Таким образом в печени имеются 2
капиллярные системы: обычная, между артериями и венами и капиллярная сеть
воротной вены, которую иногда называют «чудесной сетью».
Кроме кровеносных сосудов, справляться с ролью надежного фильтра
печени помогает сеть желчных капилляров и протоков. Желчеобразование –
результат завершающегося в печени распада отслуживших эритроцитов (в
сутки печень производит до 1000 мл желчи). Желчь нейтрализует кислую
пищевую кашицу, переходящую из желудка в двенадцатиперстную кишку,
помогает переваривать жиры, способствует нормальному распространению
питательных веществ и выведению токсинов из организма.
Кроме того, печень участвует в образовании около половины всей
производимой организмом лимфы, а также мочевины (конечного продукта
белкового обмена).
По многообразию выполняемых печенью функций ее можно без
преувеличения назвать главной биохимической лабораторией человеческого
организма. Печень является важным органом, без нее ни животные, ни человек
существовать не могут.
Основными функциями печени являются:
1) участие в пищеварении (образование и выделение желчи): печень
вырабатывает желчь, которая поступает в 12-перстную кишку. Желчь участвует
в кишечном пищеварении, способствует нейтрализации кислой кашицы,
поступающей из желудка, расщепляет жиры и способствует их всасыванию,
оказывает возбуждающее действие на перистальтику толстого кишечника. За
сутки печень выделяет до 1—1,5 литров желчи;
310
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2)
барьерная функция: печень обезвреживает ядовитые вещества,
микробы, бактерии и вирусы поступающие с кровью и лимфой. Также в печени
расщепляются химические вещества, в том числе лекарственные препараты;
3) участие в обмене веществ: все питательные вещества, всасываемые в
кровь из пищеварительного тракта, – продукты переваривания углеводов,
белков и жиров, минералы и витамины – проходят через печень и в ней
перерабатываются. При этом часть аминокислот (фрагментов белков) и часть
жиров превращаются в углеводы, поэтому печень – крупнейшее «депо»
гликогена в организме. В ней синтезируются белки плазмы крови – глобулины
и альбумин, а также протекают реакции превращения аминокислот. В печени
синтезируются также кетоновые тела (продукты метаболизма жирных кислот) и
холестерин.
В общем виде можно сказать, что печень — это своеобразная кладовая
питательных
веществ
организма,
а
также
химическая
фабрика,
«вмонтированная» между двумя системами — пищеварения и кровообращения.
Разбаллансировка в действии этого сложного механизма является причиной
многочисленных заболеваний пищеварительного тракта, сердечно-сосудистой
системы,
особенно
сердца.
Существует
самая
тесная
связь
системы
пищеварения, печени и кровообращения.
14.13
Биохимический
анализ
крови
и результаты,
которые
он отображает. Расшифровка результатов анализов
Для того чтобы получить полное представление о работе того или иного
органа тела человека, уже не одно десятилетие успешно применяют метод
биохимического
анализа
крови.
Это
один
из способов
лабораторной
диагностики, который очень информативен для врача и отличается высокой
степенью достоверности. Биохимический анализ кровине только раскроет
полную картину функционирования того или иного органа, но и расскажет,
испытывает ли человек недостаток в том или ином микроэлементе или
311
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
витамине.
Области
медицины,
которые
используют
результаты
биохимического анализа крови в своей практике, это — гастроэнтерология,
урология, терапия, кардиология, гинекология и другие.
Даже если у вас нет никаких проявлений болезни, и вы чувствуете себя
совершенно здоровым, биохимический анализ крови поможет установить,
какой из органов плохо справляется со своей задачей и работает не так, как
положено. Любое изменение в химическом составе крови свидетельствует
о неблагополучной ситуации и необходимости срочного вмешательства.
Для того чтобы сделать биохимический анализ крови, у пациента
из локтевой вены берется около 5 мл крови. Изучение биохимического анализа
крови направлено на выявление ее состава, результаты исследования заносят
в специальный
бланк. В
немперечислены
основные
компоненты
и их содержание в крови пациента. Врач сравнивает результаты анализа крови с
теми цифрами, что являются общепринятыми и эталонными для анализов крови
здоровых людей. Значения биохимических анализов крови могут разниться
в зависимости от пола или возраста больного.
Все показатели химических анализов крови обычно не имеют четких
значений, а определяются относительно предельных параметров, т. е. рамок
между их минимальной и максимальной величиной. Очень часто один и тот
же анализ крови трактуют по-разному – это связано с тем, что специфика
каждой клиники устанавливает для себя критерии, по которым оценивается
результат биохимических анализов крови. Опытный врач легко сопоставит
результаты анализа крови и симптоматику заболевания, и на их основании
вынесет вердикт.
Биохимический анализ крови вы легко можете сдать в любой клинике
своего города. Требуется, чтобы перед забором крови пациент не пил и не ел -в
этом случае результаты анализов будут наиболее достоверны. Как правило, его
выполняют в течение одного дня или даже, по желанию пациента, применяют
экспресс-метод.
312
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Биохимический
анализ
подразумевает
лабораторное
исследование
следующих показателей анализа крови:
 белки: альбумин, общий белок, С-реактивный белок, гликированный
гемоглобин
миоглобин,
трансферрин,
ферритин,
железосвязывающая
способность сыворотки (ЖСС), ревматоидный фактор;
 ферменты: аланинаминотрансфераза (АлАТ),
аспартатаминотрансфераза (АсАТ), гамма-глутамилтрансфераза (Гамма-ГТ),
амилаза, амилаза панкреатическая, лактат, креатинкиназа, лактатдегидрогеназа
(ЛДГ), фосфатаза щелочная, липаза, холинэстераза;
 липиды: общий холестерин, холестерин ЛПВП, холестерин ЛПНП,
триглицериды;
 углеводы: глюкоза, фруктозамин;
 пигменты: билирубин, билирубин общий, билирубин прямой;
 низкомолекулярные
азотистые
вещества:
Креатинин,
Мочевая
кислота, Мочевина;
 неорганические вещества и витамины: железо, калий, кальций,
натрий, хлор, магний, фосфор, витамин В12, фолиевая кислота.
Существуют определенные нормы биохимического анализа крови т. е. то количество показателей, которое должно присутствовать в крови
человека определенного возраста и пола. Это статистически установленные
показатели здоровых людей. Отклонение от этих показателей — симптом
разнообразных
нарушений
в деятельности
организма,
сбой
в работе
определенных органов или систем.
Глюкоза – основной показатель углеводного обмена. Ее уровень может
быть понижен при некоторых эндокринных заболеваниях, нарушении функции
печени. Повышение содержания глюкозы наблюдается при сахарном диабете.
Иногда скачок этого показателя может быть в первые часы инсульта, инфаркта,
при травмах, инфекциях, панкреатите.
Билирубин – продукт переработки в печени старых красных кровяных
телец (эритроцитов). Зная этот показатель, можно определить, как работает
313
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
печень. Повышение уровня общего билирубина – симптом желтухи, гепатита,
закупорки желчных протоков (например, при камнях в желчном пузыре или
опухоли). Высокие цифры билирубина могут определяться после длительной
низкокалорийной диеты. Если же
повышается содержание связанного
билирубина, то, скорее всего, больна печень.
Уровень общего белка падает при заболеваниях печени, почек,
длительных воспалительных процессах, голодании. Повышение содержания
общего белка может наблюдаться при некоторых заболеваниях крови, болезнях
и
состояниях,
сопровождающихся
обезвоживанием
организма.
Падение уровня альбумина может говорить о болезнях печени, почек или
кишечника. Обычно этот показатель снижен при сахарном диабете, тяжелой
аллергии,
ожогах,
воспалительных процессах.
Повышенный показатель
альбумина – сигнал о нарушениях иммунной системы или обмена веществ.
Повышение уровня γ-глобулинов говорит о наличии в организме инфекции и
воспаления.
Повышение
Снижение
может
содержания
свидетельствовать
α1-глобулинов
об
наблюдается
иммунодефиците.
при
острых
воспалительных процессах. Уровень α2-глобулинов может повышаться при
воспалительных и опухолевых процессах, заболеваниях почек, а снижаться при
панкреатите и сахарном диабете. Изменение количества β-глобулинов обычно
наблюдается при нарушениях жирового обмена. C-реактивный белок в норме
практически
не
выявляется.
Однако
при
воспалительных
процессах
(аппендиците, воспалении легких и др.), инфекциях, опухолях его содержание
увеличивается. Определение этого показателя имеет большое значение при
ревматизме и ревматоидном артрите. С его помощью можно определить
тяжесть болезни и эффективность лечения.
О жировом обмене судят по содержанию в крови холестерина,
липопротеидов,триглицеридов. Повышение уровня холестерина сигнализирует
о
развитии
атеросклероза,
ишемической
болезни
сердца,
сосудистых
заболеваний и инсульта. Уровень холестерина повышается также при сахарном
диабете, хронических заболеваниях почек, снижении функции щитовидной
314
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
железы. Холестерина становится меньше нормы при повышении функции
щитовидной
железы,
хронической
сердечной
недостаточности,
острых
инфекционных заболеваниях, туберкулезе и т.д. Если содержание
β-
липопротеидов меньше нормы, это говорит о нарушениях функции печени.
Повышенный уровень этого показателя указывает на атеросклероз, нарушение
обмена жиров и т.д. Триглицериды – жировые молекулы крови, их содержание
отражает предрасположенность к атеросклерозу. По уровню триглицеридов
можно судить об особенностях питания.
Повышается он при употреблении большого количества животных
жиров. Высокие цифры характерны для некоторых заболеваний почек,
снижении функции щитовидной железы. Резкое повышение этого показателя
свидетельствует
о
воспалении
поджелудочной
железы.
Мочевина – продукт расщепления белков, который у здорового человека
выводится из организма почками. Поэтому повышение содержания мочевины
указывает на заболевание почек. Изменение концентрации фосфора и кальция в
крови свидетельствует о нарушении минерального обмена, что бывает при
заболеваниях почек, рахите, некоторых гормональных нарушениях.
Содержание кальция в крови повышено при заболеваниях щитовидной
железы, а также при некоторых формах рака. Изменение концентрации калия,
натрия и хлора неблагоприятно сказывается на работе внутренних органов,
особенно сердца. Имея на руках результаты биохимического анализа крови,
легко сравнить показатели своего анализа с нормой. Но на основании этих
данных нельзя самостоятельно поставить диагноз. Дать достоверную и
правильную
интерпретацию
результатов
анализа
может
только
врач,
сопоставив их с жалобами больного и симптомами заболевания.
Казалось бы, получив результаты анализа крови, нет ничего проще, чем
сопоставить показатели биохимического анализа крови и нормы для этого
анализа и самостоятельно поставить диагноз. Однако полученные результаты
биохимического анализа крови могут говорить о совершенно независимых друг
от друга заболеваниях. Верно, оценить состояние Вашего здоровья, дать
315
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
правильную, достоверную расшифровку биохимического анализа крови может
только профессионал — опытный и квалифицированный врач.
Необходимо понимать, что использование разных методов диагностики
различными клиниками, показывают различные результаты, потому что до сих
пор в различных лабораториях существуют различия в единицах измерения.
Поэтому не всегда показатели вашего биохимического анализа крови - норма
или отклонение. Для детальной и правильной интерпретации результата вашего
анализа все равно понадобится консультация профессионального врача, потому
что доктор оценивает не только результаты анализа, но и, как минимум, ваши
жалобы и симптомы заболевания.
316
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
15 Биохимия мышечной ткани. Характеристика мышечных
белков. Биохимические механизмы мышечного сокращения и
расслабления. Энергетика мышц
15.1 Структурно-функциональная организация мышечной ткани
У человека мышцы составляют от 28-32 % (женщины) до 35-45 %
(мужчины) массы тела. Мышцы образованы мышечной тканью, способной
сокращаться под действием нервных импульсов; отсюда вытекает главная
физиологическая
роль
мышц,
которая
заключается
в
способности
к
напряжению и сокращению, в результате чего организм приобретает
возможность двигаться и сопротивляться воздействию на него механических
сил. Различные формы подвижности в той или иной степени характерны
практически для всех живых организмов. Но только у животных в ходе
эволюции появились специализированные клетки и ткани, главной функцией
которой является генерация движения, в основе которого лежит перемещение
двух систем белковых нитей, образованных актином и миозином за счет
энергии гидролиза АТФ.
Изучение физико-химических основ мышечного сокращения важно для
понимания
механизмов
возникновения
болезней,
поражающих
мышцы
(мышечные дистрофии, изменение мышечных тканей при гиподинамии), а
также для выбора эффективных методов тренировки спортсменов и других
людей,
профессия
которых
требует
хорошей
физической
подготовки
(например, космонавтов).
В зависимости от строения мышечных клеток различают:
1) поперечно-полосатые скелетные мышцы (к ним относится сердечная
мышца);
2) гладкие мышцы.
Для эффективного преобразования энергии АТФ в механическую работу
мышцы должны обладать строгой упорядоченной структурой. Действительно,
317
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
упаковка сократительных белков в мышце подобна упаковке атомномолекулярных частиц в кристаллах. Мышца представляет собой систему,
состоящую из специфических клеток – мышечных волокон. Толщина отдельно
взятого волокна составляет от 10 до 100 мкм, а его длина может быть равной
длине самой мышцы (1-15 см). Вдоль мышечного волокна расположены строго
упорядоченные
специфические
структуры
цилиндрической
формы
(миофибриллы), образование системами из перекрывающихся толстых и тонких
белковых нитей, иначе называемых филаментами. Миофибриллы состоят из
одинаковых повторяющихся элементов – саркомеров, ограниченных так
называемыми Z-пластинками. Толстые нити, расположенные в середине
саркомера, образованы белком миозином, а тонкие – актином. Поперечная
полосатость мышц обусловлена чередованием в миофибриллах толстых
(миозиновых) и тонких (актиновых) нитей. Миозиновые и актиновые нити
являются главными компонентами всех мышечных сократительных систем
организма.
Полный белковый состав скелетной мышцы представлен в таблице 14.
Белки сократительной системы нерастворимы в воде, но их можно
экстрагировать растворами солей. Растворимые белки (миоген) представляют
собой смесь, в основном состоящую из гликолитических ферментов и
миоглобина.
Таблица 14- Белковый состав скелетной мышцы
Белок
Молекулярная масса
Содержание белка, %
1
2
3
Миозин
460000
55-60
Актин
46000
20-25
Тропомиозин
70000
15
Тропонин
76000
5
Другие белки (миоген)
-
5-10
318
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Структура миозиновых нитей. Миозин (сокращенно Му) составляет
почти половину (55 %) всех белков скелетной мышцы. В настоящее время
известно около 10 различных видов молекул миозина. Рассмотрим строение
наиболее изученного миозина скелетных мышц. Миозин состоит из шести
субъединиц, две из которых представлены одинаковыми полипептидными
цепями с высокой молекулярной массой (около 200000) – «тяжелые» цепи
миозина, а остальные четыре имеют молекулярную массу около 20000 –
«легкие» цепи миозина. Большая часть длины тяжелой цепи, начиная с Сконца, имеет конфигурацию α-спирали, причем α-спиральные участки обеих
тяжелых цепей взаимодействуют между собой, что приводит к дополнительной
спирализации и придает этой части молекулы миозина форму палочки.
Противоположные N-концы каждой тяжелой цепи миозина имеют глобулярную
форму, образуя «головки» молекулы. С каждой из головок за счет
нековалентных межмолекулярных взаимодействий связаны по две легкие цепи.
Обе легкие цепи миозина способны влиять на процесс взаимодействия миозина
с актином и тем самым участвуют в регуляции мышечного сокращения.
Миозин обладает ярко выраженной ферментативной активностью. Он
катализирует гидролиз АТФ, а выделяющаяся при этом энергия используется
на сокращение мышцы. Активные центры миозина расположены в «головках»
молекул.
Миозин (Му) взаимодействует с АТФ по следующему механизму:
Му + АТФ ↔ Му – АТФ;
(1)
Му – АТФ + Н2О ↔ Му* – АДФ – Фосфат + Н+;
(2)
Му* – АДФ – Фосфат ↔ Му – АДФ – Фосфат;
(3)
Му* – АДФ – Фосфат ↔ Му + АДФ + Фосфат.
(4)
Химизм протекающих при этом процессов заключается в следующем:
уравнение (1) – присоединение АТФ к миозину с образованием АТФмиозинового комплекса; уравнение (2) – образование энергетически активной
319
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
конформации миозина (Му*) через гидролиз комплекса Му-АТФ; уравнение (3)
– внутримолекулярное изменение конформации головки миозина; уравнение (4)
– распад комплекса Му-АДФ-Фосфат на соответствующие продукты.
Структура актиновых нитей. Актиновые нити состоят из трех белков:
актина, тропомиозина и тропонина.
Главным компонентом актиновых нитей является актин. Актин был
открыт в 1948 г. Б. Штраубом (Венгрия) и назван так из-за своей способности к
активации гидролиза АТФ. Актин – один из самых распространенных белков в
клетках растительных и животных организмов. Актин (содержание в
миофибриллах достигает 25 %) представляет собой глобулярный белок с
молекулярной массой около 46000 а.е.м. и диаметром глобулы около 5 нм;
такую мономерную форму актина называют G-актин (глобулярный актин).
Молекулы G-актина взаимодействуют друг с другом с образованием
фибриллярного актина – F-актин. Процесс полимеризации G-актина и F-актин
можно инициировать введением одно- или двухзарядных катионов металлов.
Формула молекул F-актина напоминает нитки бус, скрученные друг с другом.
Рентгеноструктурный анализ показал, что F-актин представляет собой
спираль. В мышцах весь актин присутствует в составе F-формы. Актиновые
нити в саркомере имеют постоянную длину и правильную ориентацию, при
этом один из концов полимера F-актина (на котором скорость полимеризации
больше) расположен в Z-диске, а другой (скорость полимеризации меньше) – в
центральной части саркомера. Следовательно, нити актина, расположенные в
левой и правых частях саркомера, имеют противоположную направленность.
Тропомиозин (содержание в миофибриллах около 15 %) имеет форму
палочек длиной около 40 нм; соединение с молекулами G-актина (1 молекула
тропомиозина с 7 молекулами G-актина).
Тропонин (содержание в миофибриллах 5 %) – белок, состоящий из трех
субъединиц глобулярной структуры. Тропонин за счет нековалентных
межмолекулярных взаимодействий связан с тропомиозином и актином.
320
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Межмолекулярный комплекс тропонин – тропомиозин – актин выполняет
важную функцию в процессе мышечного сокращения – обеспечивает сцепление
миозиновых и актиновых нитей.
15.2 Механизм мышечного сокращения
В
1993
г.
впервые
были
выделены
в
кристаллическом
виде
изолированные головки миозина, что позволило установить их структуру и
сформировать гипотезу о механизме мышечного сокращения, состоящую в
следующем.
Сокращение мышцы вызывается нервным импульсом, который через
нервно-мышечный синапс с помощью нейромедиатора преобразуется в
потенциал действия мышечного волокна. Потенциал действия вызывает
освобождение
ионов
Са2+
из
саркоплазматического
ретикулума,
представляющего собой внутриклеточную мембранную систему, которая
окружает мышечные волокна и транспортирует ионы Са2+ в пространство
между актином и миозином и обратно. В результате в возбужденной мышце
концентрация ионов Са2+ возрастает до 10-5 моль/л (по сравнению с 10-7 моль/л
для мышц, находящихся в покое).
Сокращение мышц происходит за счет перемещения актиновых и
миозиновых нитей навстречу друг другу. Движения актиновых нитей между
миозиновыми является результатом сложного взаимодействия миозина, актина,
тропомиозина и тропонина, которое осуществляется за счет энергии,
выделяющейся в процессе одновременного гидролиза АТФ.
В миозиновых нитях различают три фрагмента, принимающие участие в
механизме мышечного сокращения, а именно: активный центр для гидролиза
АТФ, энергия которого преобразуется в механическую энергию движения;
поверхности, комплементарные актиновыми нитями, с помощью которых
происходит сцепление актиновых и миозиновых нитей; рецепторы для
восприятия регуляторных сигналов со стороны актиновых нитей.
321
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Актиновые нити также имеют комплементарные поверхности для
связывания с миозином и рецепторы, отвечающие за сокращение и
расслабление мышцы. АТФазные центры головок миозина отличаются
высоким сродством к АТФ, поэтому в мышечной ткани большая часть головок
В присутствии Са2+-связывающей
миозина содержит связанный АТФ.
субъединице тропонина.
Комплекс тропонин – тропомиозин – актин включает по одной молекуле
тропонина и тропомиозина и семь молекул G- актина. Ионы Са2+ вызывают
конформационные изменения во всем комплексе: на всех семи мономерах Gактина открываются центры связывания с головками миозина. Миозиновая
головка присоединяется к ближайшему мономеру актина, благодаря чему
происходит сцепление актиновых и миозиновых нитей.
Присоединение головки миозина к актину активируется АТФазным
центром, при этом АТФ гидролизуется, АДФ и неорганический фосфат
покидают активный центр. В результате изменяется конформация миозина:
возникает напряжение, стремящееся уменьшить угол между головкой и
хвостом молекулы миозина. Далее АТФазный центр может присоединить
новую молекулу АТФ, в результате чего сродство миозиновой головки к актину
уменьшается. Миозин возвращается в исходное состояние, и начинается новый
цикл взаимодействия с актином. Необходимо отметить, что каждая головка
миозина
генерирует
очень
маленькое
тянущее
усилие
(в
несколько
пиконьютонов), но сумма этих маленьких усилий может создавать довольно
большие напряжения. Сотни миозиновых головок каждой миозиновой нити,
втягивая актиновую нить, работают одновременно. Предельное сокращение
мышцы развивается в сотые доли секунды (порядка 0,02 с). Сила сокращения
зависит от количества миозиновых головок, включенных в работу.
Мышца в покое эластична и способна к растяжению, которому
препятствует взаимодействие актиновых и миозиновых нитей.
Энергетическая
обеспеченность
мышечной
работы.
Мышца,
работающая с максимальной активностью, потребляет с сотни раз больше
322
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
энергии, чем в покое, причем переход от состояния покоя к состоянию
максимального напряжения происходит за доли секунды. В связи с этим для
мышцы в отличие от других органов оказались необходимыми механизмы
быстрого варьирования в широких пределах скорости синтеза АТФ.
Основные
процессы,
обеспечивающие
работу
мышц
энергией,
заключаются в следующем: мобилизация гликогена печени и мышц;
глюконеогенез из молочной кислоты; мобилизация депонированных жиров и
поступление жирных кислот и кетоновых тел в мышцы. Мышечная активность
сопровождается увеличением вентиляции легких и скорости кровотока,
благодаря чему усиливается снабжение мышечной ткани кислородом.
Перечисленные
процессы
повышают
активность
основных
ферментов
катаболизма и многократно увеличивают скорость синтеза АТФ.
Общее содержание АТФ в мышце составляет примерно 5 мкмоль на 1 г ее
массы. При прекращении синтеза АТФ этого количества хватает примерно на
1 с работы. Отсюда следует, что каждую секунду в организме должно
синтезироваться около 5 мкмоль АТФ на 1 г мышц. Исходя из этого, можно
подсчитать, что если в течение 10 мин в работу включена приблизительно 1/3
мышцы тела (примерно 10 кг), то за это время около 1,5 кг АТФ синтезируется
и гидролизуется до АТФ. Конечно, это количество ориентировочное и
существенно зависит от интенсивности мышечной работы.
Из изложенного выше ясно, что снабжение митохондрий кислородом
становится лимитирующим звеном в процессах, определяющих мышечную
активность. Поэтому активация анаэробного распада глюкозы имеет важное
значение. Усиление гликолиза связано с действием аденилаткиназы, которая
катализирует реакцию
2 АДФ → АТФ + АМФ.
Концентрация
АДФ
в
работающей
мышце
несколько
увеличена
(соответственно снижению концентрации АТФ); кроме того, в результате
действия аденилатциклазы повышается и концентрация АМФ, который
является аллостерическим активатором фосфофруктокиназы – ключевого
323
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
фермента гликолиза. Эти факторы, по-видимому, играют основную роль в
ускорении гликолиза при интенсивной работе мышц.
В
мышечной
ткани
присутствует
креатинфосфат,
который
синтезируется из креатина и АТФ при действии креатинкиназы (Е)
NH
NH
O
║
║
║
C – NH2
C – NH – О – P – ОН
│
N – CH3
E
+ АТФ
↔
│
│
N – CH3
OH
│
│
СН2
СН2
│
│
СООН
СООН
Креатин
+ АДФ + Н2О
Креатинфосфат
Креатинфосфат в отличие от креатина является высокоэнергетическим
соединением. Данная реакция легко обратима. Содержание креатинфосфата в
покоящейся мышце в 3-8 раз больше, чем содержание АТФ; такое количество
обеспечивает интенсивную работу мышц в течение 2-5 с. За это время человек
может пробежать 15-20 м. При переходе от состояния покоя к работе ткани
мышцы сначала используют наиболее быстрый путь генерации АТФ из
креатинфосфата. Тем временем включаются другие механизмы: сначала
каскадный механизм мобилизации гликогена в мышечных клетках, а затем и
механизмы усиленного транспорта в мышцы субстратов окисления из печени и
жировой ткани. При мышечной работе в первую очередь используются запасы
углеводов, а при длительной работе постепенно увеличивается использование
жиров. Кроме этого изменяется относительная интенсивность анаэробного и
аэробного путей образования АТФ: кратковременная интенсивная работа
(например, бег на 100 м) может совершаться почти целиком за счет гликолиза.
324
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При продолжительной работе вклад аэробного процесса увеличивается, а
анаэробного – уменьшается.
Особенности энергетического обмена сердечной мышцы. Сердечная
мышца за сутки сокращается более чем 100000 раз, перекачивая при этом около
7200 л крови. Миокард, или сердечная мышца [от греч. mis (myos) – мышца и
kardia – сердце], по структуре и свойствам сходен с красными скелетными
мышцами. Особенностью энергетического обмена сердечной мышцы является
его почти полностью аэробный характер. При этом основными субстратами,
поставляющими энергию, служат жирные кислоты: около 70 % потребляемого
сердечной мышцей кислорода идет на окисление жирных кислот. Кроме того,
используется глюкоза, молочная и пировиноградная кислоты. После приема
пищи доля глюкозы в обеспечении сердца энергией увеличивается, а жирных
кислот уменьшается; при физической работе возрастает доля молочной
кислоты.
325
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
16 Химия костной и хрящевой ткани. Единица костной
структуры. Регуляция метаболизма костной ткани. Биохимия
зубов и кариеса
16.1 Костная ткань
Скелет метаболически активен и постоянно обновляется, и оба процесса
регулируются местными и системными факторами. Среди основных функций
скелета выделяют структурные (опора, передвижение, дыхание и защита
внутренних органов) и метаболические (хранилище для кальция, фосфора и
карбоната; карбонатный костный буфер, связывание токсинов и тяжелых
металлов). Тесная структурная связь с гемопоэтической системой определяет
совместное использование клеток и локальных регулирующих факторов.
При нормальном развитии скелета уже в эмбриональном периоде хрящевая
ткань замещается более твердой костной тканью (новообразование кости или
моделирование). После рождения рост скелета продолжается, но основная
клеточная активность направлена на ремоделирование кости, т.е. перестройку
уже имеющейся структуры кости. Вновь сформированная на ранних стадиях
развития из мезенхимы кость и кость, образующаяся во время быстрого
восстановления, могут иметь относительно дезорганизованную структуру
коллагеновых волокон в матриксе. Такая кость называется "тканой" (woven)
костью. В то же время все другие кости закладываются организованным
способом с последовательными слоями хорошо организованного коллагена и
называется пластинчатой костью.
У взрослого человека различают два главных типа кости (рисунок 52):
1 Кортикальная кость (плотная и компактная) составляет внешнюю часть
всех скелетных структур. На поперечном срезе компактной кости можно
видеть, что она состоит из многочисленных цилиндров, образованных
концентрическими костными пластинками, в центре каждого такого цилиндра
имеется гаверсов канал, вместе с которым он составляет гаверсову систему или
326
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
остеон. Через каждый гаверсов канал проходят одна артерия, вена,
лимфатический сосуд и нервные волокна. До 80 % скелета состоит из
кортикальной кости, главной функцией которой является обеспечение
механической силы и защиты, но она может участвовать и в метаболическом
ответе при тяжелом или длительном минеральном дефиците.
2 Трабекулярная или губчатая кость находится внутри длинных костей,
особенно в концевых частях, в телах позвонков и во внутренних частях таза и в
других крупных плоских костях. Она представляет собой сеть из тонких
анастомозирующих костных элементов, называемых трабекулами. В ее
основном веществе содержится меньше неорганического материала (от 60-до
65 %), чем в основном веществе компактной кости. Органическое вещество
состоит главным образом из коллагеновых волокон. Пространства между
трабекулами заполнены мягким костным мозгом. Трабекулярная кость
обеспечивает
механическую
поддержку,
особенно
в
позвоночнике.
Метаболически она более активна, чем кортикальная кость и обеспечивает
начальные поставки солей в условиях их острого дефицита.
Рисунок 52 - Схема строения трубчатой кости
327
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кость - это обызвествленная соединительная ткань, состоящая из клеток,
погруженных в твердое основное вещество. Около 30 % основного вещества
составляют органические соединения, преимущественно в форме коллагеновых
волокон, а остальные 70 % - неорганические (рисунок 53).
Рисунок 53 - Схема коллагеновых поперечных связей в кости
Матрикс содержит также неколлагеновые белки, которые важны для
регуляции
минерализации
и
укрепления
основы
коллагена.
Кальцийсвязывающие белки включают остеокальцин (костный Gla-протеин) и
матриксный Gla-протеин, которые содержат γ-карбоксиглютаминовую кислоту
и витамин К зависимы подобно многим факторам свертывающей системы
крови. Эти белки могут задерживать минерализацию и позволяют созреть
костному матриксу. Даже при том, что остеокальцин является наиболее
специфическим
белковым
продуктом
остеобластов,
подавление
гена
остеокальцина не ухудшает рост и минерализацию скелета. Костный
сиалопротеин и остеопонтин связываются с кальцием и коллагеном и могут
играть роль в процессе прилипания остеокластов к поверхности кости.
328
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Неорганическая основа кости представлена кристаллами гидроксиапатита. Эти
кристаллы могут содержать карбонат, фторид и различные другие минералы в
следовых
количествах
в
зависимости
от
окружающей
среды.
Соли фосфата кальция в костях находятся в 2 формах:
1 Легко обмениваемый пул, который находится в равновесии с
внеклеточной жидкостью. Этот запас обеспечивает легкий обмен между
костями и внеклеточной жидкостью.
Таким образом, если концентрация Ca или фосфата во внеклеточной
жидкости
увеличивается,
соли
легко
откладываются
или,
если
эти
концентрации снижаются, тогда соли легко мобилизуются из этого запаса.
2 Старая структурная кость, где соли фосфата кальция находятся в виде
кристаллов гидроксиапатита.
Эти
кристаллы
с
трудом
мобилизуются
или
обмениваются
с
внеклеточной жидкостью и для их мобилизации - резорбции необходим
паратгормон.
Костные клетки - остеоциты, находятся в лакунах, распределенных по
всему основному веществу. Лакуны соединяются между собой тонкими
канальцами, содержащими отростки остеоцитов. Через эти канальцы проходят
кровеносные сосуды. От каждой лакуны отходит наподобие лучей много
тонких канальцев, содержащих цитоплазму (отростки остеоцитов), которые
могут соединяться с центральным гаверсовым каналом, с другими лакунами
или тянуться от одной костной пластинки к другой.
Остеобласты. Остеобласты образуются из мезенхимальных стволовых
клеток,
изначально
плюрипотентных,
которые
могут
также
дифференцироваться в клетки мышечной, хрящевой и фиброзной ткани, а
также в адипоциты. Вероятно, имеются клетки предшественники, которые
могут
далее
дифференцироваться
только
в
остеобласты.
Эти
клетки
329
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
предшественники остеобластов присутствуют в надкостнице и строме костного
мозга.
Как только продукция остеобластами коллагеновых и неколлагеновых
белков завершается, некоторые остеобласты внедряются в толщу матрикса и
становятся остеоцитами. Остеобласты и остеоциты соединяются друг с другом
многими клеточными отростками, которые лежат в канальцах в пределах кости.
Этот синцитий взаимосвязанных клеток вероятно важен для ощущения
механических сил. Большинство остеобластов либо остается на поверхности
кости и рассредоточивается в виде расплющенных клеток, либо подвергается
запрограммированной клеточной смерти (апоптозу). Остеобласты сохраняют
соединения с остеоцитами, которые могут быть необходимы для передачи
сигналов активации во время ремоделирования.
Остеобласты функционально и морфологически гетерогенны. Они имеют
рецепторы для факторов (ПТГ, кальцитриол, глюкокортикоиды, половые
гормоны, соматотропин и тиреотропин, интерлейкин-1, фактор некроза
опухоли
альфа,
простагландины,
инсулиноподобные
факторы
роста,
трансформирующий фактор роста бета, факторы роста фибробластов), которые
влияют на ремоделирование кости, и сами продуцируют много регуляторов
роста кости (рисунок 54).
Рисунок 54 - Клеточный состав костной ткани
330
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Остеокласты. Остеокласты - это крупные многоядерные клетки,
которые резорбируют кость, растворяя соли и разрушая матрикс. Активные
остеокласты обычно имеют от 2 до 5 ядер, но могут иметь и больше. Они
богаты цитоплазмой,
имеют
множество аппаратов Гольджи
и много
митохондрий и лизосом. Активно резорбирующие остеокласты крепко
прикреплены к кости зоной мембраны, которая относительно лишена
субклеточных частиц. Эта область называется "чистой" зоной, хотя лучший
термин - зона "изолирования"; так как она как бы герметизирует область
действия ферментов. Вторая (внутренняя) зона - наиболее обширная, богатая
цитоплазматическими выростами (гофрированная каемка), является областью
абсорбции и секреции гидролитических ферментов, где имеет место резорбция
кости. В том месте, где остеокласт соприкасается с костным веществом,
образуется лакуна. Часто наблюдаются группы остеокластов, которые либо
располагаются на поверхности лакун Хоушипа, либо образуют туннели в
кортикальной кости, формируя гаверсовы каналы. Продолжительность жизни
остеокластов может составлять от 3 до 4 недель, затем они теряют ядро
апоптозом и становятся неактивными. Остеокласты связаны с моноцитарномакрофагальными клетками и образуются из гранулоцит - макрофагальных
колониеобразующих единиц. Макрофагальный колониестимулирующий фактор
необходим
для
начала
дифференциации
остеокластов.
Клетки
предшественники остеокластов присутствуют в костном мозге, селезенке, и в
небольшом количестве в циркуляции. Во время развития предшественники
остеокластов вероятно мигрируют в кость из экстрамедуллярных участков
гемопоэза.
В костной ткани в течение всей жизни человека происходят
взаимосвязанные процессы разрушения и созидания, объединяемые термином
ремоделирование костной ткани (рисунок 55). Цикл ремоделирования кости
начинается
с
активации,
опосредованной
клетками
остеобластного
происхождения. Активация может включать остеоциты, "обкладочные клетки"
(отдыхающие остеобласты на поверхности кости), и преостеобласты в костном
331
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мозге. Точно ответственные клетки остеобластного происхождения не были
полностью определены. Эти клетки подвергаются изменениям формы и
секретируют коллагеназу и другие ферменты, которые лизируют белки на
поверхности кости; они также выделяют фактор, который назван остеокласт
дифференцирующим фактором (ОДФ). Последующий цикл ремоделирования
состоит из трех фаз: резорбция, реверсия
и формирование.
Рисунок 55 - Схема ремоделирования кости
Резорбция костной ткани связана с активностью остеокластов, которые
являются фагоцитами для кости. Энзимы из остеокластов растворяют
органический матрикс, а кислоты растворяют костные соли. Остеокласты
регулируются ПТГ; увеличение ПТГ вызывает увеличение количества и
активности остеокластов, и таким образом, увеличение костной резорбции;
332
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
снижение ПТГ производит обратный эффект. Постоянный обмен костных
солей обеспечивает ремоделирование кости для поддержания прочности ее на
протяжении жизни. Остеокластическая резорбция per se может начинаться с
миграции частично дифференцированных мононуклеарных преостеобластов к
поверхности кости, которые затем сливаются с образованием крупных
многоядерных остеокластов, которые требуются для резорбции кости.
Остеокласты удаляют минералы и матрикс до ограниченной глубины на
трабекулярной поверхности или в пределах кортикальной кости; в результате
пластинки остеона разрушаются, и на его месте образуется полость.
Пока неясно, что останавливает этот процесс, но вероятно могут
вовлекаться
высокие
местные
концентрации
кальция
или
веществ,
высвобождаемых из матрикса.
После завершения остеокластической резорбции имеется фаза реверсии,
во время которой мононуклеарные клетки (МК), возможно моноцитарномакрофагального происхождения, появляются на поверхности кости. Эти
клетки готовят поверхность для новых остеобластов, чтобы начать образование
кости (остеогенез ). Слой богатого гликопротеидами вещества откладывается
на резорбированной поверхности, так называемая "цементирующая линия", к
которой могут приклеиваться новые остеобласты. Остеопонтин может быть
ключевым белком в этом процессе. Клетки на месте реверсирования могут
также обеспечивать сигналы для дифференциации и миграции остеобластов.
Фаза
формирования
продолжается
до
полного
замещения
резорбированной кости и пока полностью не сформируется новая костная
структурная единица. Когда эта фаза завершена, поверхность покрывается
сглаженными выравнивающими клетками, и имеется длительный период
отдыха с небольшой клеточной деятельностью на поверхности кости, пока
новый цикл ремоделирования не начинается.
Основные этапы образования кости представлены ниже.
333
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Шаги кальцификации кости:
- остеокласты секретируют молекулы коллагена и основного вещества;
- молекулы коллагена образуют коллагеновые волокна, называемые
остеоидом;
- остеобласты секретируют энзим - щелочную фосфатазу (ЩФ), которая
увеличивает локальную концентрацию фосфата, активирует коллагеновые
волокна, вызывая отложение солей фосфата кальция;
- соли фосфата кальция преципитируют на коллагеновых волокнах и
окончательно становятся кристаллами гидроксиапатита.
Стадии цикла моделирования имеют различную продолжительность.
Резорбция вероятно продолжается приблизительно две недели. Фаза реверсии
может длиться до четырех или пяти недель, в то время как фаза формирования
может продолжаться в течение четырех месяцев до тех пор пока новая
структурная единица полностью не сформируется.
В норме процессы отложения и резорбции солей находятся в равновесии,
и костная масса остается постоянной. Обычно процессы ремоделирования
оккупируют 10-15 % поверхности кости. ПТГ является одним из важнейших
факторов, влияющих на количество участков ремоделирования и может
увеличивать оборот кости в 7-10 раз, увеличивая поверхность ремоделирования
до 100 % всей поверхности кости.
Существует как системная, так и местная регуляция функции костной
клетки. Главные системные регуляторы - кальций регулирующие гормоны, ПТГ
и кальцитриол; в меньшей степени кальцитонин. Другие системные гормоны
также
оказывают
влияние
на
скелет,
особенно
соматотропин,
глюкокортикоиды, гормоны щитовидной железы и половые гормоны.
Паратгормон (ПТГ) - наиболее важный регулятор гомеостаза кальция.
Он
поддерживает
резорбцию
кости
сывороточную
концентрацию
остеокластами,
увеличивая
кальция,
почечную
стимулируя
канальцевую
реабсорбцию кальция, и увеличивая почечную продукцию кальцитриола.
334
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПТГ также стимулирует экспрессию генов и увеличивает производство
нескольких
местных
факторов,
включая
ИЛ-6,
ИФР-1
и
ИФР-
связывающегоглобулина, IGF-BP-5, и простагландинов.
Кальцитриол - увеличивает кишечную абсорбцию кальция и фосфатов,
таким образом поддерживая минерализацию кости. В высоких концентрациях,
при условиях дефицита кальция и фосфора, он также стимулирует резорбцию
кости, таким образом помогая поддерживать поставку этих ионов к другим
тканям. Кальцитриол стимулирует остеокластогенез в культурах клеток, но
животные, испытывающие недостаток витамина Д, имеют относительно
нормальный рост костей и ремоделирование во время своего развития.
Кальцитонин - ингибирует остеокласты и поэтому резорбцию костей в
фармакологических дозах. Однако, его физиологическая роль минимальна. Его
эффекты являются преходящими, вероятно из-за сниженной регуляции
рецепторов. В результате, он только кратковременно эффективен для
коррекции гиперкальцемии из-за чрезмерной резорбции кости.
Глюкокортикоиды - имеют и стимулирующие, и подавляющие эффекты
на клетки кости. Они важны для дифференцировки остеобластов, и они
сенсибилизируют костные клетки к регуляторам ремоделирования кости,
включая
ИФР-1
и
ПТГ.
Ингибиция
остеогенеза
-
главная
причина
индуцированного глюкокортикоидами остеопороза. Гормоны щитовидной
железы - стимулируют и резорбцию, и формирование кости.
Половые гормоны - оказывают глубокое влияние на кость. Эстрогены
влияют на развитие скелета как у мужчин, так и у женщин. В позднем
пубертатном
периоде
эстрогены
уменьшают
оборот
кости,
ингибируя
резорбцию кости; они необходимы для эпифизарного закрытия у юношей и
девушек. Таким образом, мужчины с генетической потерей эстрогеновых
рецепторов или фермента ароматазы, который преобразует андрогены в
эстрогены, имеют задержку развития кости и остеопороз, и запаздывание
эпифизарного закрытия. Многие местные факторы также находятся под
влиянием эстрогенов, включая цитокины и простагландины.
335
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Андрогены могут стимулировать остеогенез как прямо, так и посредством
их влияния на примыкающие мышечные ткани.
Цитокины - Как описано выше, цитокины, продуцируемые костными
клетками и прилегающими гематопоэтическими и сосудистыми клетками,
имеют множественные регулирующие эффекты на скелет. Многие из этих
факторов вовлечены в потери кости, связанные с овариэктомией у грызунов.
Регулирование может происходить в результате изменяющегося производства
агонистов и изменений рецепторов или связывающих белков (антагонисты
рецептора) для этих факторов.
Другие - Множество других факторов играет важную роль в метаболизме
кости:
- Простагландины, лейкотриены и окись азота могут быть важны в
быстрых ответах клеток кости на воспаление и механические силы.
Простагландины имеют бифазные эффекты на резорбцию и образование кости,
но доминирующими эффектами in vivo является стимуляция. Образование
простагландинов
может
увеличиваться
под
влиянием
нагрузки
и
воспалительных цитокинов. Окись азота может ингибировать функцию
остеокластов, в то время как лейкотриены стимулируют резорбцию кости;
- ТФР-бета и семейство костных морфогенных белков, состоящее, по
крайней мере, из десяти белков, которые продуцируются множеством
различных клеток, и которые оказывают множественное влияние на рост и
развитие. ТФР-бета может регулироваться эстрадиолом и может замедлять
резорбцию кости и стимулировать остеогенез. Костные морфогенный белок - 2
и другие члены этого семейства увеличивают дифференциацию остеобластов и
остеогенез, когда вводятся подкожно или внутримышечно.
Факторы роста фибробластов - другое семейство белков, вовлеченных в
развитие скелета. Мутации рецепторов для этих факторов приводят к
патологическим скелетным фенотипам, таким как ахондроплазия. В костной
ткани образуются другие факторы роста, такие как эндотелиальный фактор
роста, который может играть роль в ремоделировании кости.
336
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
16.2 Химический состав костной ткани
Изучение
химического
состава
значительными
трудностями,
поскольку
костной
для
ткани
выделения
сопряжено
со
органического
матрикса требуется провести деминерализацию кости. Кроме того, содержание
и состав органического матрикса подвержены значительным изменениям в
зависимости от степени минерализации костной ткани (таблица 15).
Таблица 15 - Химический состав большеберцовой кости человека (в граммах
на 100 г сухой обезжиренной кости) (Л.И. Слуцкий)
Известно, что при продолжительной обработке кости в разведенных
растворах кислот ее минеральные компоненты растворяются и остается гибкий
мягкий органический остаток (органический матрикс), сохраняющий форму
интактной кости. Межклеточный органический матрикс компактной кости
составляет около 20 %, неорганические вещества – 70 % и вода – 10 %. В
губчатой кости преобладают органические компоненты, которые составляют
более 50 %, на долю неорганических соединений приходится от 33 %–до 40 %.
Количество воды сохраняется в тех же пределах, что и в компактной кости
(Ю.С. Касавина, В.П. Торбенко).
По данным А. Уайта и соавт., неорганические компоненты составляют
около 1/4 объема кости; остальную часть занимает органический матрикс.
Вследствие различий в относительной удельной массе органических и
337
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
неорганических компонентов на долю нерастворимых минералов приходится
половина массы кости.
Неорганический состав костной ткани. Более 100 лет назад было
высказано предположение, что кристаллы костной ткани имеют структуру
апатита. В дальнейшем это в значительной мере подтвердилось. Действительно,
кристаллы кости относятся к гидроксилапатитам, имеют форму пластин или
палочек и следующий химический состав – Са10(РО4)6(ОН)2 (рисунок 56).
Кристаллы гидроксилапатита составляют лишь часть минеральной фазы
костной ткани, другая часть представлена аморфным фосфатом кальция
Са3(РО4)2. Содержание аморфного фосфата кальция подвержено значительным
колебаниям в зависимости от возраста. Аморфный фосфат кальция преобладает
в раннем возрасте, в зрелой кости преобладающим становится кристаллический
гидроксилапатит. Обычно аморфный фосфат кальция рассматривают как
лабильный резерв ионов Са2+ и фосфата.
Рисунок 56 – Функции и состав костной ткани
338
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В организме взрослого человека содержится более 1 кг кальция, который
почти целиком находится в костях и зубах, образуя вместе с фосфатом
нерастворимый гидроксилапатит. Большая часть кальция в костях постоянно
обновляется. Ежедневно кости скелета теряют и вновь восстанавливают
примерно 700–800 мг кальция.
В состав минеральной фазы кости входит значительное количество ионов,
которые обычно не содержатся в чистом гидроксилапатите, например ионы
натрия, магния, калия, хлора и др. Высказано предположение, что в
кристаллической решетке гидроксилапатита ионы Са2+ могут замещаться
другими двухвалентными катионами, тогда как анионы, отличные от фосфата и
гидроксила,
либо
адсорбируются
на
поверхности
кристаллов,
либо
растворяются в гидратной оболочке кристаллической решетки.
Органический матрикс костной ткани. Приблизительно 95 %
органического матрикса приходится на коллаген. Вместе с минеральными
компонентами
коллаген
является
главным
фактором,
определяющим
механические свойства кости. Коллагеновые фибриллы костного матрикса
образованы коллагеном типа 1. Известно, что данный тип коллагена входит
также в состав сухожилий и кожи, однако коллаген костной ткани обладает
некоторыми особенностями. Есть данные, что в коллагене костной ткани
несколько больше оксипролина, чем в коллагене сухожилий и кожи. Для
костного коллагена характерно большое содержание свободных ε-амино-групп
лизиновых и оксилизиновых остатков. Еще одна особенность костного
коллагена – повышенное по сравнению с коллагеном других тканей содержание
фосфата. Большая часть этого фосфата связана с остатками серина.
В сухом деминерализованном костном матриксе содержится около 17%
неколлагеновых белков, среди которых находятся и белковые компоненты
протеогликанов. В целом количество протеогликанов в сформировавшейся
плотной кости невелико.
В состав органического матрикса костной ткани входят гликозаминогликаны, основным представителем которых является хондроитин-4-суль-фат.
339
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Хондроитин-6-сульфат, кератансульфат и гиалуроновая кислота содержатся в
небольших количествах.
Принято считать, что гликозаминогликаны имеют непосредственное
отношение к оссификации. Показано, что окостенение сопровождается
изменением гликозаминогликанов: сульфатированные соединения уступают
место несульфатированным. Костный матрикс содержит липиды, которые
представляют собой непосредственный компонент костной ткани, а не
являются примесью в результате недостаточно полного удаления богатого
липидами
костного
минерализации.
Есть
мозга.
Липиды
основания
принимают
полагать,
что
участие
липиды
в
процессе
могут
играть
существенную роль в образовании ядер кристаллизации при минерализации
кости.
Биохимические
и
цитохимические
исследования
показали,
что
остеобласты – основные клетки костной ткани – богаты РНК. Высокое
содержание РНК в костных клетках отражает их активность и постоянную
биосинтетическую функцию.
Своеобразной особенностью костного матрикса
является
высокая
концентрация цитрата: около 90 % его общего количества в организме
приходится на долю костной ткани. Принято считать, что цитрат необходим
для минерализации костной ткани. Вероятно, цитрат образует комплексные
соединения с солями кальция и фосфора, обеспечивая возможность повышения
концентрации их в ткани до такого уровня, при котором могут начаться
кристаллизация и минерализация.
Кроме цитрата, в костной ткани обнаружены сукцинат, фумарат, малат,
лактат и другие органические кислоты.
16.3 Хрящевая ткань
Хрящевая ткань, как и костная, относится к скелетным тканям с опорномеханической функцией. По классификации выделяют три разновидности
340
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
хрящевой ткани — гиалиновую, эластическую и волокнистую (рисунок 57).
Особенности строения различных видов хрящевой ткани зависят от места
расположения ее в организме, механических условий, возраста индивидуума.
1 — гиалиновый хрящ;
2 — эластический хрящ;
3 — волокнистый хрящ
Рисунок 57 - Виды хрящевой ткани
Наиболее широкое распространение у человека получила гиалиновая
хрящевая ткань. Она входит в состав трахеи, некоторых хрящей гортани,
крупных бронхов, темафизов костей, встречается в местах соединения ребер с
грудиной и в некоторых других областях тела. Эластическая хрящевая ткань
входит в состав ушной раковины, бронхов среднего калибра, некоторых хрящей
гортани.
Волокнистый хрящ обычно встречается в местах перехода сухожилий и
связок в гиалиновый хрящ, например в составе межпозвоночных дисков.
Строение всех видов хрящевой ткани в общих чертах сходно: они имеют
в своем составе клетки и межклеточное вещество (матрикс). Одной из
особенностей межклеточного вещества хрящевой ткани является его высокая
обводненность: содержание воды в норме колеблется от 60 до 80 %. Площадь,
занимаемая межклеточным веществом, значительно больше площади, занятой
клетками. Межклеточное вещество хрящевой ткани вырабатывается клетками
(хондробластами и молодыми хондроцитами) и имеет сложный химический
341
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
состав. Оно подразделяется на основное аморфное вещество и фибриллярный
компонент, который составляет примерно 40 % сухой массы межклеточного
вещества и представлен в гиалиновой хрящевой ткани коллагеновыми
фибриллами, образованными коллагеном II типа, идущими диффузно в
различных
направлениях.
На
гистологических
препаратах
фибриллы
незаметны, так как имеют одинаковый с аморфным веществом показатель
преломления.
В эластической хрящевой ткани наряду с коллагеновыми фибриллами
имеются многочисленные эластические волокна, состоящие из белка эластина,
который тоже продуцируется хрящевыми клетками. Волокнистая хрящевая
ткань содержит большое количество пучков коллагеновых волокон, состоящих
из коллагена I и II типа.
Ведущими
аморфное
химическими
вещество
сульфатированные
соединениями,
хрящевых
тканей
гликозаминогликаны
образующими
(хондромукоид),
основное
являются
(кератосульфаты
и
хондроитинсульфаты А и С) и нейтральные мукополисахариды, большинство
из которых представлено сложными надмолекулярными комплексами. В
хрящах получили широкое распространение соединения молекул гиалуроновой
кислоты с протеогликанами и со специфическими сульфатированными
гликозаминогликанами. Этим обеспечиваются особые свойства хрящевых
тканей — механическая прочность и в то же время проницаемость для
органических соединений, воды и других веществ, необходимых для
обеспечения жизнедеятельности клеточных элементов. Маркерными, наиболее
специфичными для межклеточного вещества хряща соединениями являются
кератосульфаты и определенные разновидности хондроитинсульфатов. Они
составляют около 30 % сухой массы хряща.
Основные клетки хрящевой ткани — хондробласты и хондроциты.
Хондробласты представляют собой молодые, малодифференцированные
клетки. Они располагаются вблизи надхрящницы, лежат поодиночке и
характеризуются округлой или овальной формой с неровными краями. Крупное
342
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ядро занимает значительную часть цитоплазмы. Среди клеточных органелл
преобладают органеллы синтеза — рибосомы и полисомы, гранулярная
эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, митохондрии; характерны
включения
гликогена.
гематоксилином
При
общегистологической
и эозином
окраске
хондробласты слабобазофильны.
препаратов
Структура
хондробластов указывает на то, что эти клетки обнаруживают