Обмен веществ, обмен энергии и способность к самовоспроизведению как важнейшие признаки живой материи.

Предмет и задачи биологической химии

Биологическая химия, или биохимия, изучает химический состав живых систем, строение и функции входящих в них веществ, пути их превращений, энергетическое обеспечение этих превращений и механизмы регуляции. Ее предметом являются молекулярные процессы, благодаря которым клетка сохраняет организацию, реагирует на изменения среды, растет и воспроизводит себя.

Основные задачи биохимии состоят в том, чтобы установить связь между строением вещества и его функцией; описать последовательность реакций обмена и способы получения энергии; выяснить механизмы регуляции и интеграции процессов в клетках, тканях и организме; объяснить молекулярную основу заболеваний и найти показатели, пригодные для диагностики и контроля лечения.

Обмен веществ и энергии

Живой организм является открытой системой: он постоянно получает из внешней среды вещества и энергию, преобразует их и удаляет конечные продукты обмена. Совокупность всех химических реакций организма называется обменом веществ, или метаболизмом. В метаболизме различают катаболизм и анаболизм. При катаболизме сложные молекулы расщепляются до более простых, а часть высвобождаемой энергии запасается в форме АТФ и восстановленных коферментов. При анаболизме из простых предшественников синтезируются белки, липиды, углеводы, нуклеотиды и другие соединения; для этого расходуются энергия АТФ и восстановительные эквиваленты.

Энергетический обмен не существует отдельно от обмена веществ. Экзергонические реакции, сопровождающиеся уменьшением свободной энергии, делают возможными эндергонические процессы: биосинтез, активный транспорт, мышечное сокращение, поддержание ионных градиентов и температуры тела. АТФ служит главным непосредственным посредником между реакциями, которые освобождают энергию, и процессами, которые ее потребляют.

Самовоспроизведение

Способность к самовоспроизведению основана на хранении, копировании и реализации генетической информации. Последовательность нуклеотидов ДНК воспроизводится при репликации, передается дочерним клеткам и через РНК определяет синтез белков. Белки, в свою очередь, обеспечивают большинство химических реакций и структурных процессов, необходимых для копирования генетического материала и деления клетки.

Обмен веществ, обмен энергии и самовоспроизведение образуют единую систему. Метаболизм дает клетке строительный материал и энергию; генетическая информация задает состав ферментов и других белков; размножение обеспечивает непрерывность жизни. Нарушение любого из этих звеньев изменяет работу всей системы.

Объекты и методы биологических исследований.

Объекты исследования

Биохимическое исследование может быть направлено на разные уровни организации живого. Объектом служат отдельные молекулы и их комплексы, органеллы, клетки, биологические жидкости, ткани, органы и целый организм. Выбор уровня зависит от вопроса. Активность очищенного фермента позволяет установить механизм реакции, но для понимания его роли в болезни необходимо учитывать клеточное окружение, состояние ткани и изменения всего организма.

В медицинской биохимии особенно часто исследуют кровь, плазму, сыворотку, мочу, спинномозговую жидкость, биопсийный материал и культуры клеток. Полученный результат зависит не только от аналитического метода, но и от условий взятия, хранения и подготовки образца. Поэтому преаналитический этап является частью исследования, а не технической формальностью.

Основные группы методов

Биохимические методы обычно решают одну из четырех задач: разделить компоненты сложной смеси, обнаружить нужное вещество, количественно измерить его содержание или активность и установить строение молекулы. Один метод редко дает исчерпывающий ответ, поэтому результаты подтверждают независимыми подходами и сопоставляют с контрольными образцами.

Достоверное исследование требует четкой гипотезы, подходящего контроля, достаточного числа наблюдений, калибровки метода и воспроизводимости результата. Статистическая значимость показывает вероятность случайного различия, но биологическая и клиническая значимость оцениваются отдельно.

Роль и место дисциплины в системе медицинских знаний.

Биохимия связывает описание строения организма с объяснением его функций на молекулярном уровне. Анатомия и гистология показывают, где происходит процесс; физиология — как он проявляется на уровне органа и организма; биохимия — какие молекулы реагируют, откуда берется энергия и каким образом регулируется скорость реакции.

Знание биохимии необходимо для понимания нормального обмена веществ и патогенеза заболеваний. Наследственный дефект фермента изменяет концентрации субстрата и продукта; повреждение клетки приводит к выходу внутриклеточных компонентов в кровь; нарушение гормональной регуляции перестраивает обмен сразу в нескольких тканях. Поэтому лабораторные показатели становятся не просто числами, а отражением конкретных молекулярных процессов.

Для врача биохимия является инструментом причинного мышления: она помогает связать жалобу и симптом с нарушенной реакцией, выбрать информативный анализ, оценить действие лекарственного вещества и проследить ответ на лечение. Одновременно она задает основу для дальнейшего изучения фармакологии, патофизиологии, клинической лабораторной диагностики и большинства клинических дисциплин.

Краткая история развития биологической химии.

Биохимия сформировалась на границе химии и физиологии. Первоначально процессы живого объясняли особой «жизненной силой», которая якобы отличала органические вещества от соединений неживой природы. В XIX веке экспериментальная химия показала, что вещества организма подчиняются тем же законам, что и остальные химические соединения.

В 1828 году Фридрих Вёлер получил мочевину из неорганических исходных веществ. Этот опыт не создал биохимию в готовом виде, но стал важным аргументом против строгого разделения органической и неорганической химии. В 1897 году Эдуард Бухнер продемонстрировал бесклеточное спиртовое брожение в экстракте дрожжей. Реакцию удалось исследовать вне живой клетки, что укрепило представление о ферментах как химических катализаторах и стало одной из отправных точек современной биохимии.

В первой половине XX века были выделены и охарактеризованы ферменты, витамины и коферменты, расшифрованы центральные пути обмена углеводов и образования энергии. В 1926 году Джеймс Самнер получил кристаллы уреазы и показал белковую природу фермента. В 1930-е годы Ганс Кребс описал цикл мочевины и цикл лимонной кислоты, связав отдельные реакции в замкнутые метаболические пути.

Во второй половине XX века биохимия сблизилась с молекулярной биологией. Установление структуры ДНК в 1953 году объяснило принцип хранения и копирования наследственной информации, а методы определения последовательностей белков и нуклеиновых кислот позволили сопоставлять структуру молекулы с функцией. Современная биохимия исследует уже не только отдельные реакции, но и целые геномы, протеомы и метаболомы, объединяя большие массивы данных в модели работы клетки и организма.

Белки, их общая характеристика, содержание в органах и тканях, общебиологические функции.

Белки — высокомолекулярные полимерные азотсодержащие органические вещества, состоящие из аминокислот, соединённых пептидными связями, и имеющие сложную структурную организацию.

1.1. Содержание белков в организме человека

Содержание белков в тканях организма человека выше, чем содержание липидов и углеводов. Оно составляет 18–20% от общей массы тканей (сырой массы). Преобладание в тканях белков по сравнению с другими веществами наиболее наглядно выявляется при расчёте содержания белков на сухую массу тканей — 40–45%. Содержание белков в различных тканях колеблется в определённом интервале. Наиболее высоко содержание белков в скелетных мышцах (18–23% от сырой массы или 80% от сухой массы ткани). Низким содержанием белков отличается жировая ткань (6% сырой массы или 4% сухой массы ткани).

В детском возрасте общее количество белков в организме и их состав иные, чем у взрослых людей. В организме плода общее содержание белков не превышает 10%. У новорождённых детей оно составляет 10–12% массы тела. В период новорождённости наблюдается усиление процессов распада белков для энергетических целей. В силу этого содержание белков временно снижается. В раннем детском возрасте преобладают незрелые растворимые структурные белки. С возрастом усиливается их дифференцировка в зрелые функциональные белки.

ФУНКЦИИ БЕЛКОВ

Элементарный и аминокислотный состав белков.

АМИНОКИСЛОТЫ И БЕЛКИ

Аминокислоты по строению они являются органическими карбоновыми кислотами, у которых, как минимум, один атом водорода замещен на аминогруппу. Таким образом, в аминокислотах обязательно присутствует карбоксильная группа (СООН), аминогруппа (NH₂), асимметричный атом углерода и боковая цепь (радикал R). Строением боковой цепи аминокислоты и отличаются друг от друга. Именно радикал придает аминокислотам большое разнообразие строения и свойств.

Аминокислоты являются строительными блоками белковых молекул, но необходимость их изучения кроется не только в данной функции. Несколько аминокислот являются источником для образования нейромедиаторов в ЦНС (гистамин, серотонин, гамма-аминомасляная кислота, дофамин, норадреналин), другие сами являются нейромедиаторами (глицин, глутаминовая кислота).

Те или иные аминокислоты необходимы для синтеза пуриновых и пиримидиновых оснований без которых нет нуклеиновых кислот, используются для синтеза низкомолекулярных биологически важных соединений (креатин, карнитин, карнозин, ансерин и др.).

Аминокислота тирозин целиком входит в состав гормонов щитовидной железы (тироксин, трийодтиронин) и мозгового вещества надпочечников (адреналин, норадреналин).

С нарушением обмена аминокислот связан ряд наследственных и приобретенных заболеваний, сопровождающихся серьезными проблемами в развитии организма (цистиноз, гомоцистеинемия, лейциноз, тирозинемии и др). Самым известным примером является фенилкетонурия.

По участию аминокислот в синтезе белков

Выделяют протеиногенные (20 АК) и непротеиногенные (около 40 АК). Все протеиногенные аминокислоты являются α-аминокислотами.

На примере протеиногенных аминокислот можно показать дополнительные способы классификации:

• по строению бокового радикала – неполярные (алифатические, ароматические) и полярные (незаряженные, отрицательно и положительно заряженные),
• электрохимическая – по кислотно-основным свойствам подразделяют нейтральные (большинство), кислые (Асп, Глу) и основные (Лиз, Арг, Гис) аминокислоты,
• физиологическая классификация – по необходимости для организма выделяют незаменимые (Лей, Иле, Вал, Фен, Три, Тре, Лиз, Мет) и заменимые. Две аминокислоты являются условно незаменимыми (Арг, Гис), т.е. их синтез происходит в недостаточном количестве.

По полярности молекулы

К неполярным относят аминокислоты, имеющие алифатические углеводородные цепи (аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, пролин) и ароматические кольца (фенилаланин, триптофан, тирозин).

К полярным незаряженным относятся аминокислоты, имеющие гидроксильные группы (серин, треонин, тирозин), амидные группы (аспарагин, глутамин), тиольную группу (цистеин) и глицин.

Аспарагиновая и глутаминовая аминокислоты имеют в радикале дополнительную карбоксильную группу, отрицательно заряжены и, соответственно, полярны. К аминокислотам с полярными положительно заряженными радикалами относятся лизин, аргинин, гистидин.

Типы связей аминокислот в молекулах белков и их роль в стабилизации белковой структуры

В молекуле белка различают прочные ковалентные связи — пептидные и дисульфидные — и непрочные нековалентные связи: водородные, ионные, вандерваальсовы и гидрофобные.

Пептидная связь: строение и свойства

Аминокислоты способны соединяться между собой связями, которые называются пептидными, при этом образуется полимерная молекула.

Пептидная связь – это связь между α-карбоксильной группой одной аминокислоты и α-аминогруппой другой аминокислоты.

Пептидные связи (–CO–NH–) являются основным видом связей в белках. Впервые они были изучены А. Я. Данилевским в 1888 году. Пептидные связи определяют порядок чередования аминокислот в полипептидной цепи, то есть формируют первичную структуру белка.

К свойствам пептидной связи относятся:

Трансположение заместителей (радикалов) аминокислот по отношению к C–N-связи

Наличие кетоформы и енольной формы

Способность к образованию двух водородных связей

Атомы кислорода и водорода, входящие в пептидную группу, обладают способностью образовывать водородные связи с атомами кислорода и водорода других пептидных групп.

Пептидная связь является сопряжённой: электронная плотность в ней смещена от азота к кислороду, поэтому она занимает промежуточное положение между одинарной и двойной связью. Её длина составляет 0,132 нм. Вращение атомов вокруг пептидной связи затруднено, атомы O и H находятся в транс-положении, а все атомы пептидной группы располагаются в одной плоскости.

Пептидные связи прочные: энергия разрыва составляет около 95 ккал/моль. Они расщепляются при кипячении белка в присутствии кислот или щелочей либо под действием ферментов-пептидаз.

Связи между радикалами аминокислот

Псевдопептидная связь

Кроме пептидных связей между α-функциональными группами аминокислот, возможны псевдопептидные связи между дополнительными карбоксильными группами глутамата и аспартата и дополнительными аминогруппами лизина и аргинина.

Пептиды: номенклатура и свойства

Белок — это последовательность аминокислот, связанных друг с другом пептидными связями. Если количество аминокислот не превышает 10, новое соединение называется пептидом; если оно содержит от 10 до 40 аминокислот — полипептидом; если более 40 аминокислот — белком.

В пептидной цепи различают N-концевую аминокислоту со свободной α-аминогруппой и C-концевую аминокислоту со свободной α-карбоксильной группой.

Номенклатура пептидов

При необходимости назвать пептид ко всем названиям аминокислот, кроме последней, добавляют окончание «-ил». Например, пептид, образованный аланином, серином и триптофаном, называется аланил-серил-триптофан. По такому же принципу называется трипептид глутатион — γ-глутаминил-цистеинил-глицин.

Свойства пептидов

Пептидные связи определяют порядок чередования аминокислот в пептидной цепи. Пептидная связь прочная: энергия её разрыва составляет около 95 ккал/моль. Расщепление пептидных связей происходит при кипячении в присутствии кислот или щелочей либо под действием ферментов-пептидаз.

Физиологически активные пептиды крови и других тканей человека

Физико-химические свойства белков

Физико-химические свойства белков зависят от особенностей аминокислотного состава, а также от конформации белковой молекулы. Физико-химические свойства белков проявляются в растворах.

Молекулярная масса белков

Молекулярная масса белков достаточно велика, находится в пределах от 60 000 до 100 000 дальтон. Например, молекулярная масса гемоглобина — 68 000 дальтон, альбумина сыворотки крови — 66 000 дальтон, рибонуклеазы — около 14 000 дальтон, миозина — 500 000 дальтон.

Методы определения молярной массы белков должны быть щадящими, не разрушающими белковые молекулы. Например, к белкам не применим эбулиоскопический метод, основанный на измерении температуры кипения растворов. Наиболее точными методами определения молекулярной массы белков являются метод ультрацентрифугирования и рентгеноструктурный метод.

Метод ультрацентрифугирования (седиментации) основан на изменении скорости осаждения белков различной молекулярной массы под действием центробежных сил при вращении белковых растворов с большой скоростью. Молекулярная масса белков, найденная под воздействием мощных центробежных сил, создаваемых в ультрацентрифугах, выражается в единицах Сведберга (S = 10⁻¹³ с).

Рентгеноструктурный метод позволяет рассчитать молекулярную массу путём анализа многочисленных рентгеновских снимков молекулы белка.

Электрофоретический метод основан на зависимости скорости передвижения белков в постоянном электрическом поле от молекулярной массы белка: электрофоретическая подвижность выше у белков с меньшей молекулярной массой.

Метод гель-фильтрации основан на различной скорости прохождения различных белков через молекулярные гелевые «сита», называемые сефадексами. Крупные молекулы, превышающие размеры пор геля, проходят через гель быстрее, чем более мелкие молекулы белка, которые задерживаются внутри зёрен геля.

Электронно-микроскопический метод проводится путём сравнения размеров белковой молекулы с эталонными образцами известной массы. Химические методы связаны с особенностями химического состава белков.

Размеры и форма белковых молекул

Форма белковых молекул различна. Белковые молекулы по форме могут быть фибриллярными и глобулярными.

Фибриллярные белки имеют нитевидную форму молекулы. Они, как правило, нерастворимы в воде и разбавленных солевых растворах. К фибриллярным белкам относятся основные структурные белки соединительной ткани: коллаген, кератин и эластин.

Глобулярные белки имеют полипептидные цепи, плотно свёрнутые в компактные сферические структуры. Большинство глобулярных белков хорошо растворяется в воде и слабых солевых растворах. К глобулярным белкам относятся ферменты, антитела, альбумины и гемоглобин.

Некоторые белки имеют промежуточную форму молекулы и содержат в своём составе нитевидные и шаровидные участки. Примером служит белок мышц миозин, растворимый в солевых растворах.

Размеры белковых молекул находятся в интервале от 1 до 100 нм, близком к размерам коллоидных частиц. Поэтому белковые растворы обладают свойствами как истинных, так и коллоидных растворов.

Свойства белков, сходные со свойствами коллоидных растворов

• Медленная скорость диффузии белков.
• Невозможность прохождения белков через полупроницаемые мембраны. В отсеках организма с высокой концентрацией белка создаётся избыточное давление, обусловленное односторонним перемещением молекул воды через полупроницаемую мембрану в сторону большей концентрации белка. Избыточное давление, создаваемое белками, называется онкотическим. Оно является важным фактором, определяющим передвижение воды между тканями, кровью и кишечником.
• Высокая вязкость. Она обусловлена различными межмолекулярными взаимодействиями крупных белковых молекул. Повышенная вязкость крови увеличивает нагрузку на сердечную мышцу.
• Способность некоторых белков образовывать гели. Образование гелей увеличивает прочность белков, например коллагена.

Растворимость белков

В целом растворимость белков высока, но различна для разных видов белков. На неё влияют следующие факторы:

• форма белковой молекулы: глобулярные белки растворимы лучше, чем фибриллярные белки;
• характер радикалов аминокислот белка, соотношение полярных и неполярных радикалов: чем больше в составе белка полярных гидрофильных радикалов, тем лучше его растворимость;
• свойства растворителя, присутствие солей. Невысокая концентрация солей (KCl, NaCl) иногда повышает растворимость белков. Например, альбумины лучше растворимы в чистой дистиллированной воде, глобулины растворяются только в присутствии 10% солей (KCl, NaCl). Белки соединительной ткани коллаген и эластин не растворимы ни в воде, ни в солевых растворах.

Так как большинство белков несёт много заряженных групп, то в целом они водорастворимы. Растворимость объясняется:

• наличием заряда и взаимоотталкиванием заряженных молекул белка;
• наличием гидратной оболочки — чем больше полярных и/или заряженных аминокислот в белке, тем больше гидратная оболочка. Например, 100 г белка альбумина связывает 30–50 г воды.

Заряд и ионизация белковой молекулы

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

Появление заряда на молекулах белков связано с их амфотерными свойствами — наличием кислотных и основных свойств. Группы, способные приобретать заряды, называются ионогенными. К ним относятся COOH-группы глутамата, аспартата, COOH-группы C-концевых аминокислот, NH₂-группы лизина, аргинина, α-NH₂-группы N-концевых аминокислот, азот имидазольного кольца гистидина. В очень незначительной степени ионизируются –SH-группы цистеина и –OH-группы тирозина. Ионизация различных функциональных групп белка определяется величиной pH среды.

Ионизация кислотных групп: COOH-группы — доноры H⁺

При pH = 2–4 половина карбоксильных групп в белках находится в ионизированном состоянии (–COO⁻), половина — в неионизированном виде (–COOH). При физиологических значениях pH в интервале 7,35–7,45, то есть в более щелочной среде, карбоксильные группы полностью ионизированы и определяют отрицательный заряд белковой молекулы.

Ионизация щелочных групп: NH₂-группы — акцепторы H⁺

При pH около 10 половина аминогрупп белков ионизирована, а половина не ионизирована. При физиологических величинах pH = 7,4, то есть в более кислой среде, преобладает ионизированная форма аминогрупп (NH₃⁺), придающая белковым молекулам положительный заряд.

Кислотно-основные свойства белков и аминокислот изучают методом потенциометрического титрования. Из всех аминокислот только гистидин обладает буферными свойствами при pH = 6–7. Входя в состав белка гемоглобина, гистидин определяет его буферные свойства, необходимые для связывания кислорода.

Изменениями величины pH среды белок можно перевести в особое изоэлектрическое, электронейтральное состояние, в котором сумма положительных зарядов равна сумме отрицательных зарядов, а молекула в целом электронейтральна (+H₃N–белок–COO⁻). Значение pH, при котором молекула белка электронейтральна, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ). Для большинства белков изоэлектрическая точка находится в кислой среде (pH = 5–5,5). В то же время для гистонов ИЭТ находится в щелочной среде (pH = 9–11). В изоэлектрическом состоянии белки менее устойчивы, чем при наличии зарядов, поскольку одинаковый по знаку заряд белковой молекулы является фактором электростатического отталкивания белковых молекул, определяет ионные связи в белках и формирует наиболее стабильную конформацию белковой молекулы.

Таким образом, заряд белковой молекулы является одним из стабилизирующих факторов, препятствующих осаждению белков из растворов.

Формирование гидратной оболочки

Белки обычно имеют такую пространственную укладку, при которой гидрофобные группы «прячутся» в глубине белковой молекулы, а гидрофильные находятся на поверхности молекулы. К гидрофильным группам относятся –COOH, –NH₂, –SH, –OH, пептидная связь, карбонильная группа. К гидрофильным группам притягиваются диполи H₂O, в результате чего вокруг белковой молекулы формируется защитная водная «шуба», которая препятствует укрупнению белковых молекул и осаждению их из растворов. Вода, входящая в состав гидратных оболочек, называется связанной водой. Она отличается по физическим свойствам и определяет биологическую активность биополимеров.

Таким образом, гидратная оболочка белковых молекул является вторым мощным стабилизирующим фактором белковых растворов. Если каким-то воздействием убрать один или оба стабилизирующих фактора, то белки выпадают в осадок — происходит осаждение белков.

Оптические свойства белковых растворов

Оптические свойства белков определяются размерами белковых молекул, структурой радикалов аминокислот в белках, а также наличием пептидных связей и α-спиральных участков в белках.

• Белковые растворы обладают эффектом светопреломления — рефракции — и светорассеивания. Данные свойства обусловлены большими размерами белковых молекул, соизмеримыми с длиной волны видимой части спектра. При этом короткие синие лучи рассеиваются в большей степени, чем более длинноволновые красные лучи. При прохождении луча света через белковый раствор образуется светящийся конус — эффект Тиндаля. Степень рефракции пропорциональна концентрации белкового раствора.
• Белковые растворы поглощают ультрафиолетовые лучи в диапазоне 190–230 нм за счёт присутствия пептидных связей и в диапазоне 260–280 нм за счёт присутствия в белках циклических аминокислот. Степень поглощения УФ-лучей пропорциональна концентрации белка в растворе.
• Белковые растворы способны вращать плоскость поляризованного света, что обусловлено оптической активностью содержащихся в белке аминокислот и наличием в нём α-спиральных участков. Угол вращения поляризованного луча света изменяется при денатурационных воздействиях.

Практическое применение физико-химических свойств белков

• Молекулярная масса: ультрацентрифугирование разделяет белки по молекулярной массе; гель-фильтрация основана на различной скорости прохождения белков через поры геля.
• Заряд белковой молекулы: электрофорез разделяет белки по заряду и молекулярной массе; ионообменная хроматография — по разнице зарядов белковых молекул.
• Растворимость, заряд и гидратная оболочка: изоэлектрическое осаждение, дегидратация и высаливание используются для разделения белков. Высаливание применяют также для их концентрирования.
• Неспособность белков проходить через полупроницаемые мембраны: диализ используют для очистки белковых препаратов от низкомолекулярных примесей; этот же принцип лежит в основе работы аппарата «искусственная почка».
• Онкотическое давление: определяет перемещение воды между кровью и тканями; его изменение участвует в образовании отёков.
• Поглощение ультрафиолетового света: спектрофотометрические методы оценивают интенсивность поглощения белками ультрафиолетовых лучей. Степень поглощения пропорциональна концентрации белка.
• Рефракция и светорассеивание: рефрактометрические и нефелометрические методы основаны на способности белковых растворов преломлять и рассеивать свет пропорционально их концентрации.
• Оптическая активность: поляриметрические методы основаны на способности белковых растворов вращать плоскость поляризованного света.

Общие принципы выделения белков из тканей

Выделение белков из тканей включает несколько последовательных этапов.

1. Гомогенизация — измельчение ткани для разрушения клеточных и внутриклеточных мембран, препятствующих выделению белков. В процессе гомогенизации нередко добавляют детергенты.
2. Экстрагирование — растворение белков, которое чаще всего проводят слабыми солевыми растворами.
3. Отделение низкомолекулярных веществ, в том числе солей, методом диализа с использованием полупроницаемых мембран или методом гель-фильтрации.
4. Очистка белка от сопутствующих белков — фракционирование, основанное на различиях физико-химических свойств белков.
5. Выделение белка в кристаллическом состоянии путём лиофилизации — высушивания при низкой температуре.

Диализ и гель-фильтрация

Диализ основан на неспособности крупных белковых молекул проходить через полупроницаемые мембраны. Низкомолекулярные вещества проходят через мембрану и отделяются от белкового раствора.

При гель-фильтрации белки проходят через молекулярные гелевые «сита» — сефадексы. Крупные молекулы, превышающие размеры пор геля, проходят через него быстрее, чем мелкие молекулы, задерживающиеся внутри зёрен геля.

Очистка и фракционирование белков

Фракционирование белков основано на различиях их молекулярной массы, заряда, растворимости и химических свойств.

Обнаружение белков в растворах

Для обнаружения белков применяют цветные и осадочные реакции. Цветные реакции основаны на химических свойствах белков, а осадочные — на уменьшении их растворимости при устранении заряда и гидратной оболочки либо при денатурации.

Цветные реакции на белки

Биуретовая реакция является реакцией на пептидные связи. Отсутствие положительной биуретовой реакции служит одним из признаков завершения гидролиза белка до аминокислот.

К колориметрическим методам относятся также метод Лоури и метод сорбции белками определённых красителей. Интенсивность возникающей окраски определяется концентрацией белкового раствора.

Осадочные реакции на белки

На начальных стадиях денатурация может быть обратимой: восстановление структуры, физико-химических и биологических свойств белка называется ренатурацией. При продолжительном действии денатурирующего фактора процесс становится необратимым. Денатурацию применяют для обнаружения белков в растворах и биологических жидкостях и для удаления белков при проведении биохимических исследований.

Определение содержания белков в тканях и биологических жидкостях

Для определения концентрации белков в биологических жидкостях и растворах используются оптические, колориметрические и азотометрические методы.

Оптические методы

• Спектрофотометрические методы оценивают интенсивность поглощения белками ультрафиолетовых лучей в диапазоне около 200 и 260 нм. Степень поглощения пропорциональна концентрации белка.
• Рефрактометрические методы основаны на способности белковых растворов преломлять свет пропорционально их концентрации.
• Нефелометрические методы основаны на способности белковых растворов рассеивать свет пропорционально их концентрации.
• Поляриметрические методы основаны на способности белковых растворов вращать плоскость поляризованного света пропорционально их концентрации.

Колориметрические методы

Колориметрические методы основаны на цветных реакциях белков: биуретовой реакции, методе Лоури и сорбции белками определённых красителей. Интенсивность окраски определяется концентрацией белкового раствора.

Азотометрические методы

Азотометрические методы основаны на определении содержания азота и пересчёте его на концентрацию белка. В белках содержится около 16% азота.

Уровни организации белковой структуры

Белок представляет собой последовательность аминокислот, соединённых пептидными связями. Линейная полипептидная цепь является первичной структурой белка. Строение аминокислотных остатков, их последовательность и соотношение определяют дальнейшее поведение цепи: способность изгибаться, сворачиваться и образовывать внутримолекулярные связи.

При сворачивании полипептидная цепь последовательно формирует более высокие уровни структурной организации.

Первичная структура белков и её влияние на общебиологические свойства

Впервые первичная структура была изучена Ф. Сенджером в 1954 году для гормона инсулина.

В синтезе белков участвуют 20 протеиногенных аминокислот, а средний белок содержит около 500 аминокислотных остатков. Поэтому количество потенциально возможных белков чрезвычайно велико. В организме человека обнаружено около 100 тысяч различных белков.

Последовательность и соотношение аминокислот в первичной структуре определяют формирование вторичной, третичной и, у олигомерных белков, четвертичной структуры.

Видовая специфичность белков

Первичная структура определяет видовую специфичность белков. Например, в молекуле инсулина человека и различных видов животных в средней части молекулы обычно различаются три аминокислотных остатка. Замены происходят между аминокислотами с равноценными по свойствам радикалами, поэтому основные биологические свойства белка сохраняются.

Наследственные изменения первичной структуры и полиморфизм белков

Первичная структура белка задаётся последовательностью нуклеотидов в ДНК. Выпадение, вставка или замена нуклеотида приводит к изменению аминокислотного состава и, следовательно, структуры синтезируемого белка.

Если изменение последовательности аминокислот имеет не летальный, а приспособительный или нейтральный характер, изменённый белок может передаваться по наследству и сохраняться в популяции. В результате возникают новые белки и новые качества организма. Такое явление называется полиморфизмом белков.

Примером служит система групп крови АВ0, связанная с тремя вариантами фермента. Один вариант присоединяет к олигосахариду мембраны эритроцита N-ацетилгалактозамин и формирует группу А, другой присоединяет галактозу и формирует группу В, третий не присоединяет дополнительную сахаридную группу и соответствует группе 0.

Наследственные протеинопатии

Изменения первичной структуры могут быть причиной молекулярных патологий. К наследственным заболеваниям гемоглобина относятся гемоглобинопатии и талассемии.

Серповидноклеточная анемия

При серповидноклеточной анемии в результате точковой мутации в шестом положении β-цепи гемоглобина вместо глутамата включается валин. Образуется гемоглобин S — HbS. Изменение свойств β-цепи изменяет свойства всей молекулы и приводит к появлению на поверхности гемоглобина «липкого» участка.

При дезоксигенации этот участок раскрывается и связывает одну молекулу HbS с другими такими же молекулами. Происходит полимеризация гемоглобина и образуются крупные белковые тяжи. Эритроциты деформируются, приобретают форму серпа, теряют эластичность и разрушаются при прохождении через капилляры. Развиваются анемия, снижение оксигенации тканей и их некроз.

Другие наследственные изменения гемоглобина

При гемоглобинопатиях нарушается первичная структура α- или β-цепей гемоглобина.

Конформация белковых молекул как совокупность вторичной и третичной структуры и её связь с функциональной активностью белка

Конформация — пространственное расположение атомов белковой молекулы, возникающее при сворачивании полипептидной цепи. В её формировании последовательно участвуют элементы вторичной структуры и их дальнейшая укладка в третичную структуру.

Вторичная структура

Вторичная структура — способ укладки полипептидной цепи в упорядоченную форму, при которой аминокислотные остатки взаимодействуют через пептидные группы. Она формируется за счёт водородных связей между пептидными группами и зависит от устойчивости пептидной связи, подвижности связей около α-углеродного атома, размеров радикалов и аминокислотной последовательности.

Основными вариантами вторичной структуры являются α-спираль и β-складчатый слой. В одной белковой молекуле обычно присутствуют оба типа. В глобулярных белках чаще преобладают α-спиральные участки, в фибриллярных — β-структуры.

α-Спираль

α-Спираль является правозакрученной. Её стабилизируют водородные связи между пептидными группами первого и четвёртого, четвёртого и седьмого, седьмого и десятого аминокислотных остатков и далее. На один виток приходится 3,6 аминокислотного остатка, высота витка составляет 0,54 нм. Пролин и гидроксипролин препятствуют формированию спирали и вызывают резкий изгиб цепи.

β-Складчатый слой

При формировании β-структуры удалённые участки полипептидной цепи сближаются и соединяются водородными связями между пептидными группами. Соседние участки могут располагаться параллельно, если направлены одинаково от N-конца к C-концу, или антипараллельно, если имеют противоположное направление.

Третичная структура

Третичная структура — укладка одной полипептидной цепи в глобулу. Чёткой границы между вторичной и третичной структурами нет: элементы вторичной структуры объединяются в компактную трёхмерную молекулу благодаря взаимодействиям между аминокислотными остатками, удалёнными друг от друга в первичной последовательности.

Наряду с α-спиралью и β-структурой в белках присутствуют неупорядоченные участки. Их соотношение различается: например, инсулин содержит 52% α-спирали и 6% β-структуры, а трипсин — 14% α-спирали и 45% β-структуры.

Третичную структуру стабилизируют водородные, дисульфидные, гидрофобные и ионные взаимодействия между радикалами аминокислот. Возможно также образование псевдопептидных связей между дополнительными карбоксильными группами глутамата или аспартата и дополнительными аминогруппами лизина или аргинина.

Белки-шапероны и их роль в формировании нативной конформации синтезируемых белков

Совокупность первичной, вторичной и третичной структур составляет конформацию белковой молекулы. Образование нативной конформации называется фолдингом. Оно определяется первичной структурой, но в клетке правильному сворачиванию белков помогают особые белки — шапероны.

Шапероны связываются с синтезируемыми, частично денатурированными или находящимися в неустойчивом состоянии белками. Они экранируют открытые гидрофобные участки, препятствуют неправильным внутримолекулярным взаимодействиям и способствуют формированию или восстановлению нативной конформации.

Эффекты высаливания и денатурации белков

Так как растворимость белков зависит от заряда и наличия гидратной оболочки, то исчезновение одного или обоих этих факторов ведёт к осаждению белка.

Денатурация

Денатурация — необратимое осаждение белка из-за разрыва связей, стабилизирующих четвертичную, третичную, вторичную структуры белка, сопровождаемое изменением растворимости, вязкости, химической активности, снижением или полной потерей биологической функции.

1. Физическая денатурация: повышение температуры, ультрафиолетовое и микроволновое излучение, механические воздействия, ионизация заряженными частицами.
2. Химическая денатурация:
   • кислоты и щёлочи образуют водородные связи с пептидными группами;
   • органические растворители образуют водородные связи и вызывают дегидратацию;
   • алкалоиды образуют связи с полярными группами и разрывают систему водородных и ионных связей;
   • тяжёлые металлы взаимодействуют с заряженными радикалами, нейтрализуют отрицательные заряды и разрывают систему водородных и ионных связей.

Обратимое осаждение

Обратимость осаждения белков обусловлена сохранением первичной структуры белка. Восстановление физико-химических и биологических свойств белка называется ренативацией (ренатурацией). Иногда для ренативации достаточно просто удалить денатурирующий объект.

Высаливание

Высаливание — это добавление растворов нейтральных солей (Na₂SO₄, (NH₄)₂SO₄). Анионы SO₄²⁻ и катионы Na⁺, NH₄⁺ взаимодействуют с зарядами белка — группами NH₄⁺ и COO⁻. В результате заряд исчезает и, соответственно, исчезает взаимоотталкивание молекул. Одновременно резко уменьшается гидратная оболочка. Это ведёт к «слипанию» молекул и осаждению.

Так как белки плазмы крови отличаются по размерам, заряду, строению, то можно подобрать такие количества соли, которые вызовут осаждение менее устойчивых белков, пока другие ещё будут растворены.

Например, подобным образом раньше определяли соотношение альбумины/глобулины в плазме крови. Альбумины, как более полярные молекулы, остаются в растворённом состоянии при 50% насыщении раствора нейтральными солями, в то время как глобулины в этих условиях уже осаждаются. В норме соотношение альбумины/глобулины в плазме крови равно 1,2–1,8.

Осаждение водоотнимающими средствами

При добавлении водоотнимающих средств — ацетона, этанола — происходит отнятие у белка гидратной оболочки, но не заряда. Растворимость несколько снижается, но денатурации не наступает. Например, антисептическое действие этанола.

Изменение pH

Мягкое изменение pH до изоэлектрической точки белка ведёт к исчезновению заряда, уменьшению гидратной оболочки и снижению растворимости молекулы.

Четвертичная структура белков. Особенности строения и функционирования олигомерных белков

Белки с четвертичной структурой называют олигомерами, а входящие в их состав полипептидные цепи — протомерами, или субъединицами. Комплекс из двух протомеров называют димером, из четырёх — тетрамером. Четвертичную структуру стабилизируют водородные, ионные, электростатические и гидрофобные взаимодействия между аминокислотными остатками на поверхности субъединиц.

Гемоглобин взрослого человека является тетрамером и состоит из двух α- и двух β-субъединиц, каждая из которых содержит гем. В фетальном гемоглобине две β-субъединицы заменены на две γ-субъединицы.

Другие примеры олигомерных белков: лактатдегидрогеназа, состоящая из четырёх субъединиц H и M в разных сочетаниях, и креатинкиназа, состоящая из двух субъединиц B и M.

Особенности функционирования олигомерных белков

Протомеры взаимодействуют по принципу комплементарности: их поверхности соответствуют друг другу по геометрической форме и расположению функциональных групп. Изменение конформации одной субъединицы передаётся другим субъединицам. Это называют кооперативным взаимодействием.

При присоединении кислорода к одной субъединице гемоглобина её конформация изменяется и сродство остальных субъединиц к кислороду возрастает. Поэтому последовательное присоединение следующих молекул кислорода происходит легче. При отдаче кислорода в тканях действует обратная последовательность.

Дезоксигемоглобин находится преимущественно в напряжённой T-форме с низким сродством к кислороду. При оксигенации белок переходит в расслабленную R-форму с высоким сродством к кислороду. Таким образом, четвертичная структура позволяет субъединицам согласованно изменять активность всего белкового комплекса.

Классификация белков

По функции

См. выше «Функции белков».

По строению

1. По форме молекулы

Глобулярные — соотношение продольной и поперечной осей составляет < 10 и в большинстве случаев не более 3–4. Они характеризуются компактной укладкой полипептидных цепей. Например, инсулин, альбумин, глобулины плазмы крови.

Фибриллярные — соотношение осей > 10. Они состоят из пучков полипептидных цепей, спиралью навитых друг на друга и связанных между собой поперечными ковалентными и водородными связями. Выполняют защитную и структурную функции. Например, кератин, миозин, коллаген.

2. По количеству белковых цепей в одной молекуле

• мономерные — имеют одну субъединицу (протомер), например альбумин, миоглобин;
• полимерные — имеют несколько субъединиц. Например, гемоглобин — 4 субъединицы, лактатдегидрогеназа — 4 субъединицы, креатинкиназа — 2 субъединицы.

3. По химическому составу

Простые — содержат в составе только аминокислоты: альбумины, глобулины, гистоны, протамины. Подробно эти белки характеризуются ниже.

Сложные — кроме аминокислот имеются небелковые компоненты: нуклеопротеины, фосфопротеины, металлопротеины, липопротеины, хромопротеины, гликопротеины. Подробно эти белки характеризуются ниже.

Классификация простых белков

Структура простых белков представлена только полипептидной цепью — альбумин, инсулин. Однако необходимо понимать, что многие простые белки, например альбумин, не существуют в «чистом» виде, они всегда связаны с какими-либо небелковыми веществами. Их относят к простым белкам, так как связи с небелковой группой слабые.

Альбумины

Группа глобулярных белков плазмы крови с молекулярной массой 69 кДа, имеют кислые свойства и отрицательный заряд при физиологических pH, так как содержат много глутаминовой кислоты. Легко адсорбируют полярные и неполярные молекулы, являются в крови переносчиком многих веществ, в первую очередь билирубина и жирных кислот.

В природе альбумины входят в состав не только плазмы крови — сывороточные альбумины, — но и яичного белка — овальбумин, — молока — лактальбумин, — являются запасными белками семян высших растений.

Глобулины

Группа разнообразных белков плазмы крови с молекулярной массой до 100 кДа, несут отрицательный заряд, слабокислые или нейтральные. Они мало гидратированы, по сравнению с альбуминами меньше устойчивы в растворе и легче осаждаются, что используется в клинической диагностике в «осадочных» пробах — тимоловой пробе, пробе Вельтмана. Часто содержат углеводные компоненты.

При обычном электрофорезе разделяются как минимум на 4 фракции — α₁, α₂, β и γ.

Так как глобулины включают в себя разнообразные белки, то их функции многочисленны. Часть α-глобулинов обладает антипротеазной активностью, что защищает белки крови от преждевременного разрушения, например α₁-антитрипсин, α₁-антихимотрипсин, α₂-макроглобулин. Некоторые глобулины способны к связыванию определённых веществ: трансферрин — переносчик ионов железа, церулоплазмин — переносчик ионов меди, гаптоглобин — переносчик гемоглобина, гемопексин — переносчик гема. γ-Глобулины являются антителами и обеспечивают иммунную защиту организма.

Гистоны

Гистоны — внутриядерные белки массой около 24 кДа. Обладают выраженными основными свойствами, поэтому при физиологических значениях pH заряжены положительно и связываются с дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК), образуя дезоксирибонуклеопротеины. Существуют 5 типов гистонов: очень богатый лизином (29%) гистон H1; другие гистоны H2a, H2b, H3, H4 богаты лизином и аргинином — в сумме до 25%.

Радикалы аминокислот в составе гистонов могут быть метилированы, ацетилированы или фосфорилированы. Это изменяет суммарный заряд и другие свойства белков.

Можно выделить две функции гистонов:

1. регулируют активность генома, а именно препятствуют транскрипции;
2. структурная — стабилизируют пространственную структуру ДНК.

Гистоны образуют нуклеосомы — октаэдрические структуры, составленные из гистонов H2a, H2b, H3, H4. Гистон H1 связан с молекулой ДНК, не позволяя ей «соскользнуть» с гистонового октамера. ДНК обвивает нуклеосому 2,5 раза, после чего обвивает следующую нуклеосому. Благодаря такой структуре достигается уменьшение размеров ДНК в 7 раз. Далее нить ДНК с нуклеосомами складывается в суперспираль и «суперсуперспираль». Таким образом, гистоны участвуют в плотной упаковке ДНК при формировании хромосом.

Благодаря гистонам в конечном итоге размеры ДНК уменьшаются в тысячи раз: длина ДНК достигает 6–9 см (10⁻¹), а размеры хромосом — всего несколько микрометров (10⁻⁶).

Протамины

Это белки массой от 4 до 12 кДа, имеются в ядрах сперматозоидов многих организмов, в сперме рыб они составляют основную массу белка. Протамины являются заменителями гистонов и служат для организации хроматина в спермиях. По сравнению с гистонами протамины отличаются резко увеличенным содержанием аргинина — до 80%. Также, в отличие от гистонов, протамины обладают только структурной функцией, регулирующей функции у них нет, хроматин в сперматозоидах неактивен.

Коллаген

Фибриллярный белок с уникальной структурой. Составляет основу межклеточного вещества соединительной ткани сухожилий, кости, хряща, кожи, но имеется, конечно, и в других тканях.

Полипептидная цепь коллагена включает 1000 аминокислот и носит название α-цепь. Насчитывается около 30 вариантов α-цепи коллагена, но все они обладают одним общим признаком — в большей или меньшей степени включают повторяющийся триплет [Гли–X–Y], где X и Y — любые, кроме глицина, аминокислоты. В положении X чаще находится пролин или, гораздо реже, 3-оксипролин; в положении Y встречается пролин и 4-оксипролин. Также в положении Y часто находится аланин, лизин и 5-оксилизин. На другие аминокислоты приходится около трети от всего количества аминокислот. Гидроксилирование пролина и лизина осуществляют соответствующие гидроксилазы, железосодержащие ферменты; для их полноценной работы необходим витамин C — аскорбиновая кислота.

Структура пролина и оксипролина не позволяет образовать α-спиральную структуру, из-за этого образуется левозакрученная спираль, где на один виток приходится 3 аминокислотных остатка. Коллаген обычно содержит моносахаридные — галактоза — и дисахаридные — глюкоза–галактоза — молекулы, соединённые с OH-группами некоторых остатков оксилизина.

Молекула тропоколлагена построена из 3 α-цепей, сплетённых между собой в плотный жгут — тропоколлаген, длина 300 нм, диаметр 1,6 нм. Полипептидные цепи прочно связаны между собой через ε-аминогруппы остатков лизина. Тропоколлаген формирует крупные коллагеновые фибриллы диаметром 10–300 нм. Поперечная исчерченность фибриллы обусловлена смещением молекул тропоколлагена друг относительно друга на 1/4 их длины.

Время полужизни коллагена исчисляется неделями и месяцами. Ключевую роль в его обмене играет коллагеназа, расщепляющая тропоколлаген на 1/4 расстояния с C-конца между глицином и лейцином. В результате распада коллагена появляется свободный гидроксипролин. При поражении соединительной ткани — болезнь Пейджета, гиперпаратиреоидизм — экскреция гидроксипролина возрастает и имеет диагностическое значение.

По мере старения организма в тропоколлагене образуется всё большее число поперечных связей, что делает фибриллы коллагена в соединительной ткани более жёсткими и хрупкими. Это ведёт к повышенной ломкости кости и снижению прозрачности роговицы глаза в старческом возрасте.

Эластин

По строению в общих чертах эластин схож с коллагеном. Находится в связках, эластичном слое сосудов. Структурной единицей является тропоэластин с молекулярной массой 72 кДа и длиной 800 аминокислотных остатков. В нём гораздо больше лизина, валина, аланина и меньше гидроксипролина. Отсутствие пролина обусловливает наличие спиральных эластичных участков.

Характерной особенностью эластина является формирование из четырёх молекул лизина своеобразной структуры — десмозина, который своими четырьмя группами объединяет белковые цепи в системы, способные растягиваться во всех направлениях.

α-Аминогруппы и α-карбоксильные группы десмозина включаются в пептидные связи одной или нескольких белковых цепей.

Строение и классификация сложных белков

У сложных белков, кроме белковой цепи, имеется дополнительная небелковая группа. Она называется лиганд — от латинского ligo, «связываю», — то есть молекула, связанная с белком. В случае если лиганд несёт структурную и/или функциональную нагрузку, он называется простетической группой.

В роли лиганда могут выступать любые молекулы:

• молекулы, выполняющие в белке структурную функцию — липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты, минеральные элементы, какие-либо другие органические соединения: гем в гемоглобине, углеводы в гликопротеинах, ДНК и РНК в нуклеопротеинах, медь в церулоплазмине;
• переносимые белками молекулы: железо в трансферрине, гемоглобин в гаптоглобине, гем в гемопексине;
• субстраты для ферментов — любые молекулы и даже другие белки.

Узнавание лиганда обеспечивается:

• комплементарностью структуры центра связывания белка структуре лиганда, иначе говоря, пространственным и химическим соответствием белка и лиганда. Они подходят друг к другу как ключ к замку, например соответствие фермента и субстрата;
• иногда узнавание может зависеть от реакционной способности атома, к которому присоединяется лиганд. Например, связывание кислорода железом гемоглобина или жирной кислоты с альбумином.

Функции лиганда в составе сложного белка разнообразны:

• изменяет свойства белков — заряд, растворимость, термолабильность, — например фосфорная кислота в фосфопротеинах или остатки моносахаридов в гликопротеинах;
• защищает белок от протеолиза вне и внутри клетки, например углеводная часть в гликопротеинах;
• обеспечивает возможность транспорта нерастворимых в воде соединений, например перенос жиров липопротеинами;
• придаёт биологическую активность и определяет функцию белка, например нуклеиновая кислота в нуклеопротеинах, гем в гемоглобине, углевод в рецепторных белках;
• влияет на проникновение через мембраны, внутриклеточную миграцию, сортировку и секрецию белков; это выполняет, как правило, углеводный остаток.

Фосфопротеины

Фосфопротеины — это белки, в которых присутствует фосфатная группа; она связывается с пептидной цепью через остатки тирозина, серина, треонина, то есть тех аминокислот, которые содержат OH-группу.

Фосфорная кислота может выполнять:

1. Структурную роль, придавая заряд, растворимость и изменяя свойства белка, например в казеине молока, яичном альбумине.
2. Функциональную роль. В клетке присутствует много белков, которые связаны с фосфатом не постоянно, а в зависимости от активности метаболизма. Белок может многократно переходить в фосфорилированную или в дефосфорилированную форму, что играет регулирующую роль в его работе. Например: 1) ферменты гликогенсинтаза и гликогенфосфорилаза; 2) гистоны в фосфорилированном состоянии менее прочно связываются с ДНК, и активность генома возрастает.

Нуклеопротеины

Нуклеопротеины — это белки, связанные с нуклеиновыми кислотами. Они составляют существенную часть рибосом, хроматина, вирусов.

В рибосомах рибонуклеиновая кислота (РНК) связывается со специфическими рибосомальными белками.

Вирусы являются практически чистыми рибо- и дезоксирибонуклеопротеинами.

В хроматине нуклеиновая кислота представлена дезоксирибонуклеиновой кислотой, связанной с разнообразными белками, среди которых можно выделить две основные группы — гистоны и негистоновые белки. Начальный этап упаковки ДНК осуществляют гистоны, более высокие уровни обеспечиваются другими белками.

В начале молекула ДНК обвивается вокруг гистонов, образуя нуклеосомы. Сформированная таким образом нуклеосомная нить напоминает бусы, которые складываются в суперспираль — хроматиновую фибриллу — и суперсуперспираль — хромонемму интерфазы.

Нуклеиновые кислоты являются полимерными молекулами и состоят из мономеров, называемых нуклеотидами. Нуклеотид содержит фосфорную кислоту — один, два или три остатка, — сахар — рибозу или дезоксирибозу, — азотистое основание — аденин, гуанин, цитозин, урацил либо тимин.

Самым распространённым в природе является нуклеотид аденозинтрифосфат, используемый как высокоэнергетическое соединение для реакций трансмембранного переноса веществ и реакций синтеза.

Связываясь через фосфатные остатки, нуклеотиды образуют длинные цепочки — нуклеиновые кислоты.

Выделяют два вида нуклеиновых кислот в зависимости от пентозы, входящей в их состав, — рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Сахарофосфатный остов в ДНК и РНК заряжен отрицательно благодаря заряду фосфатных групп. В то же время пуриновые и пиримидиновые основания гидрофобны.

Цепи ДНК и РНК обладают направленностью, то есть имеют 3′-конец и 5′-конец. В ДНК цепи антипараллельны, то есть направлены в разные стороны. Имеется комплементарность азотистых оснований: аденин комплементарен тимину (A=T), гуанин комплементарен цитозину (Г≡Ц).

Липопротеины

К липопротеинам, строго говоря, принадлежат только белки, содержащие ковалентно связанные липиды. Однако традиционно к липопротеинам относят и надмолекулярные образования, выполняющие транспортную функцию и состоящие из белков и молекул всех классов липидов, — транспортные липопротеины.

Структуру транспортных липопротеинов можно сравнить с орехом, у которого имеется скорлупа и ядро. «Скорлупа» липопротеина является гидрофильной, ядро — гидрофобное. Ядро формируют неполярные эфиры холестерола и триацилглицеролы. В поверхностном слое — «скорлупе» — находятся фосфолипиды, свободный холестерол, белки.

Белки в липопротеинах называются апобелками, их выделяют несколько видов: A, B, C и D. В каждом типе липопротеинов преобладают соответствующие ему апобелки.

Выделяют четыре основных класса липопротеинов:

• хиломикроны (ХМ);
• липопротеины высокой плотности (ЛПВП, α-липопротеины, α-ЛП);
• липопротеины низкой плотности (ЛПНП, β-липопротеины, β-ЛП);
• липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП, пре-β-липопротеины, пре-β-ЛП).

Липопротеины различаются по составу, то есть по соотношению триацилглицеролов, холестерола и его эфиров, фосфолипидов, белков.

Хромопротеины

Хромопротеины содержат окрашенные простетические группы. Сюда относят гемопротеины — содержат гем, ретинальпротеины — содержат витамин A, флавопротеины — содержат витамин B₂, кобамидпротеины — содержат витамин B₁₂.

Гемопротеины

Подразделяются на неферментативные — гемоглобин, миоглобин — и ферменты — цитохромы, каталаза, пероксидаза. Небелковой частью их является гем — структура, включающая в себя порфириновое кольцо, состоящее из 4 пиррольных колец, и ион Fe²⁺. Железо связывается с порфириновым кольцом двумя координационными и двумя ковалентными связями.

Цитохромы

Цитохромы отличаются аминокислотным составом пептидных цепей и числом цепей и разделяются на типы a, b, c, d. Все они неспособны связывать кислород, кроме цитохрома a₃, который содержит ионы меди. Цитохромы находятся в составе дыхательной цепи митохондрий и цепи микросомального окисления.

Флавопротеины

Флавопротеины являются ферментами окислительно-восстановительных реакций, например сукцинатдегидрогеназа, глицерол-3-фосфатдегидрогеназа. Они в качестве небелковой части содержат производные витамина B₂ — флавинмононуклеотид (ФМН) и флавинадениндинуклеотид (ФАД). Флавинадениндинуклеотид представляет комплекс из двух нуклеотидов — аденозинмонофосфата и флавинмононуклеотида.

Металлопротеины

Металлопротеины, кроме белка, содержат ионы одного или нескольких металлов. Металлопротеины часто являются ферментами. Ионы металлов соединены координационными связями с функциональными группами белка и выполняют следующие функции:

• участвуют в ориентации субстрата в активном центре фермента;
• входят в состав активного центра фермента и участвуют в катализе, например служат акцепторами электронов на определённой стадии ферментативной реакции.

К металлопротеинам, например, относятся белки, содержащие:

• медь — цитохромоксидаза, в комплексе с другими ферментами дыхательной цепи митохондрий участвует в синтезе АТФ;
• железо — ферритин, депонирующий железо в клетке; трансферрин, переносящий железо в крови; сукцинатдегидрогеназа — фермент цикла трикарбоновых кислот;
• цинк — алкогольдегидрогеназа, обеспечивающая метаболизм этанола и других спиртов; лактатдегидрогеназа, участвующая в метаболизме молочной кислоты; карбоангидраза, образующая угольную кислоту из CO₂ и H₂O; щелочная фосфатаза, гидролизующая фосфорные эфиры различных соединений;
• селен — тиреопероксидаза, участвующая в синтезе гормонов щитовидной железы; антиоксидантный фермент глутатионпероксидаза;
• кальций — α-амилаза слюны и панкреатического сока, гидролизующая крахмал.

Гликопротеины (гликоконъюгаты)

Гликопротеины — белки, содержащие углеводный компонент, ковалентно присоединённый к полипептидной основе. Содержание углеводов варьирует от 1 до 85% по массе.

Выделяют два подкласса белков, содержащих углеводы: протеогликаны и гликопротеины. Между этими подклассами имеются существенные отличия:

Гликопротеины

Для собственно гликопротеинов характерно низкое содержание углеводов. Углеводный остаток является олигосахаридом, имеет нерегулярное строение и содержит маннозу, галактозу, глюкозу и их аминопроизводные, а также N-ацетилнейраминовую кислоту.

Олигосахарид присоединён к аминокислотам белковой цепи либо N-гликозидной связью — к амидному азоту аспарагина, — либо O-гликозидной связью — к гидроксигруппе остатков серина, треонина, гидроксилизина.

Функциями гликопротеинов являются:

1. Структурная — клеточная стенка бактерий, костный матрикс, например коллаген, эластин.
2. Защитная — например антитела, интерферон, факторы свёртывания крови — протромбин, фибриноген.
3. Транспортная — перенос веществ в крови и через мембраны, например трансферрин, транскортин, альбумин, Na⁺,K⁺-АТФаза.
4. Гормональная — гонадотропный, адренокортикотропный и тиреотропный гормоны.
5. Ферментативная — холинэстераза, нуклеаза.
6. Рецепторная — присоединение эффектора приводит к изменению конформации белка-рецептора, что вызывает внутриклеточный ответ.

Протеогликаны

Другая группа гликопротеинов — протеогликаны — характеризуется наличием полисахаридов, состоящих из повторяющихся дисахаридных остатков.

Дисахариды включают в себя уроновую кислоту и аминосахар. Многократно дублируясь, дисахариды образуют олиго- и полисахаридные цепи — гликаны. В литературе встречаются другие названия — кислые гетерополисахариды, так как имеют много кислотных групп, гликозаминогликаны, так как содержат аминогруппы. Эти молекулы входят в состав протеогликанов — сложных белков, функцией которых является заполнение межклеточного пространства и удержание здесь воды; также они выступают как смазочный и структурный компонент суставов и других тканевых структур.

Углеводная часть, аналогично гликопротеинам, связывается с белком через остатки серина и аспарагина.

Основными представителями структурных гликозаминогликанов являются гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты, кератансульфаты и дерматансульфаты. Гепарин используется в антикоагулянтной системе крови.

По функции протеогликаны особенно значимы для межклеточного пространства, особенно соединительной ткани, в которое погружены коллагеновые волокна. При помощи электронной микроскопии выяснено, что они имеют древовидную структуру: в центре находится гиалуроновая кислота, которая через связующие белки присоединяет многочисленные «веточки» из хондроитинсульфатов, кератансульфатов, дерматансульфатов. Молекулы гликанов весьма гидрофильны, создают сетчатый желеподобный матрикс и заполняют пространство между клетками, являясь преградой для крупных молекул и микроорганизмов.

Определение и роль ферментов в метаболизме

Основу всех жизненных процессов составляют тысячи химических реакций, катализируемых ферментами. Значение ферментов точно и образно определил И. П. Павлов, назвав их «возбудителями жизни».

По своей функции ферменты являются биологическими катализаторами. Энергетически невозможные реакции ферменты катализировать не будут: они ускоряют только те реакции, которые могут идти в данных условиях.

Нарушения в работе ферментов ведут к возникновению тяжёлых заболеваний — фенилкетонурии, гликогенозов, галактоземии, тирозинемии — или существенному снижению качества жизни при дислипопротеинемиях и гемофилиях.

Химическая природа ферментов

Все ферменты являются белками и обладают всеми свойствами белков. Как правило, это глобулярные белки. Подобно другим белкам, ферменты делятся на простые и сложные.

Простые ферменты состоят только из аминокислот. К ним относятся пепсин, трипсин и лизоцим.

Сложные ферменты, или холоферменты, имеют в своём составе белковую часть, состоящую из аминокислот, — апофермент — и небелковую часть — кофактор. Примерами являются сукцинатдегидрогеназа, содержащая ФАД, аминотрансферазы, содержащие пиридоксальфосфат, и пероксидаза, содержащая гем.

Кофакторы ферментов

Кофактор может называться коферментом или простетической группой. Кофакторами чаще всего являются ионы металлов, которые могут прочно связываться с апоферментом, например цинк в карбоангидразе и медь в цитохромоксидазе. Коферменты обычно являются органическими веществами, менее прочно связанными с апоферментом; к ним относятся, в частности, НАД и ФАД.

Кофермент — низкомолекулярная термостабильная часть фермента. Он определяет пространственную укладку апофермента и его активность. Некоторые кофакторы могут переносить электроны и функциональные группы, а также участвовать в образовании дополнительных связей между ферментом и субстратом.

У сложных ферментов в активном центре обязательно расположены функциональные группы кофактора. Кофактор участвует в связывании субстрата или в его превращении. Для осуществления катализа необходим полноценный комплекс апобелка и кофактора: по отдельности катализ они осуществить не могут.

Изоферменты

Изоферменты отличаются сродством к субстрату, максимальной скоростью катализируемой реакции, чувствительностью к регуляторам — ингибиторам и активаторам, — а также условиями работы: оптимумом pH и температуры.

Как правило, изоферменты имеют четвертичную структуру, то есть состоят из двух или более субъединиц. Димерный фермент креатинкиназа представлен тремя изоферментными формами, составленными из двух типов субъединиц: M — мышца и B — мозг. Креатинкиназа-1 состоит из двух B-субъединиц и локализуется в головном мозге; креатинкиназа-2 содержит по одной M- и B-субъединице и активна в миокарде; креатинкиназа-3 состоит из двух M-субъединиц и специфична для скелетной мышцы.

Ещё одним примером изоферментов является группа гексокиназ, присоединяющих фосфатную группу к глюкозе и вовлекающих её в реакции клеточного метаболизма. Из четырёх изоферментов выделяется гексокиназа IV — глюкокиназа, которая отличается низким сродством к глюкозе и нечувствительностью к ингибированию продуктом реакции.

Существует пять изоферментов лактатдегидрогеназы — фермента, участвующего в обмене глюкозы. Они отличаются соотношением субъединиц H — сердце и M — мышца. ЛДГ-1 (H₄) и ЛДГ-2 (H₃M) присутствуют в тканях с аэробным обменом, обладают высоким сродством к лактату и превращают его в пируват. ЛДГ-4 (HM₃) и ЛДГ-5 (M₄) находятся в тканях, склонных к анаэробному обмену, обладают низким сродством к лактату и катализируют превращение пирувата в лактат. В тканях с промежуточным типом обмена преобладает ЛДГ-3 (H₂M₂).

Изменчивость изоферментов в онтогенезе

Изоферменты обеспечивают протекание химических реакций в соответствии с условиями в разных органах. Их выраженная органоспецифичность используется для диагностики заболеваний различных органов.

Классификация ферментов

В 1961 году в Москве V Международный биохимический союз принял классификацию ферментов. В соответствии с этой классификацией ферменты делятся на классы по типу катализируемой реакции; каждый класс подразделяется на подклассы по природе атакуемой химической группы; подклассы делятся на подподклассы по характеру атакуемой связи или по природе акцептора.

Класс	Название
I	Оксидоредуктазы
II	Трансферазы
III	Гидролазы
IV	Лиазы
V	Изомеразы
VI	Лигазы

Каждому ферменту присвоен четырёхзначный классификационный номер. Первая цифра обозначает класс, вторая — подкласс, третья — подподкласс, четвёртая — порядковый номер фермента в подподклассе. Например, лактатдегидрогеназа имеет номер КФ 1.1.1.27.

Номенклатура ферментов

Ферменты имеют несколько типов названий.

1. Тривиальное название — название, сложившееся исторически: пепсин, трипсин.
2. Рабочее название. Окончание «-аза» присоединяется к названию субстрата — уреаза, амилаза; к названию связи, на которую действует фермент, — пептидаза, гликозидаза; либо к типу реакции — синтетаза, гидролаза.
3. Систематическое название строится согласно классификации и отражает тип реакции, субстрат и, при необходимости, кофермент. Например, систематическое название ЛДГ — L-лактат:НАД⁺-оксидоредуктаза.

Механизм действия ферментов

Ферменты обладают рядом общекаталитических свойств: не смещают каталитическое равновесие, не расходуются в процессе реакции и катализируют только термодинамически возможные реакции, в которых исходный энергетический запас молекул больше конечного.

В ферментативной реакции можно выделить следующие этапы:

1. Присоединение субстрата S к ферменту E с образованием фермент-субстратного комплекса E–S.
2. Преобразование комплекса E–S в один или несколько переходных комплексов E–X.
3. Превращение переходного комплекса в комплекс фермент-продукт E–P.
4. Отделение конечных продуктов от фермента.

Основные механизмы катализа

Влияние ферментов на энергию активации

Для осуществления химической реакции необходимо, чтобы реагирующие вещества имели суммарную энергию выше величины, называемой энергетическим барьером реакции. Для характеристики величины энергетического барьера Аррениус ввёл понятие энергии активации.

Преодоление энергии активации достигается либо увеличением энергии взаимодействующих молекул, например нагреванием, облучением или повышением давления, либо снижением требуемых для реакции затрат энергии при помощи катализаторов.

Ферменты снижают энергию активации благодаря образованию промежуточных фермент-субстратных комплексов:

Например, энергия активации расщепления H₂O₂ без ферментов и катализаторов составляет 18 000 ккал/моль. При использовании платины при высокой температуре она снижается до 12 000 ккал/моль, а при участии каталазы — до 2 000 ккал/моль.

Влияние ферментов на стерический коэффициент

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

Между скоростью реакции и стерическим коэффициентом существует прямая зависимость, а между скоростью реакции и энергией активации — обратная степенная зависимость. Таким образом, механизм действия ферментов сводится к увеличению стерического коэффициента и уменьшению энергии активации.

Стерический коэффициент показывает долю удачных пространственно соответствующих столкновений активных молекул. Например, он равен 0,4, если четыре из десяти столкновений привели к образованию продукта реакции.

Ферменты увеличивают стерический коэффициент, так как изменяют строение молекулы субстрата в фермент-субстратном комплексе, в результате чего комплементарность фермента и субстрата возрастает. Кроме того, активный центр упорядочивает расположение молекул субстрата в пространстве и облегчает протекание реакции.

Структура активного центра фермента

Активный центр образован радикалами аминокислот, удалённых друг от друга в первичной структуре белка. Он имеет трёхмерную укладку. В его составе наиболее часто выявляются реакционноспособные OH-группы серина, SH-группы цистеина, NH₂-группы лизина и γ-COOH-группы глутаминовой кислоты.

В активном центре различают две зоны:

Взаимные конформационные изменения фермента и субстрата

Для объяснения высокой избирательности ферментов при взаимодействии с субстратом была предложена теория «ключа и замка» Э. Фишера. Согласно ей, фермент взаимодействует с субстратом только при полном соответствии — комплементарности — их структур. Эта теория объясняет специфичность ферментов, но не раскрывает механизм воздействия фермента на субстрат.

Позже была разработана теория индуцированного соответствия фермента и субстрата Д. Кошланда — модель «рука — перчатка». Активный центр фермента сформирован и содержит функциональные группы ещё до взаимодействия с субстратом, но эти группы находятся в неактивном состоянии.

Присоединение субстрата индуцирует изменение положения и структуры радикалов активного центра. Активный центр переходит в активное состояние и, в свою очередь, воздействует на субстрат. Происходят взаимные изменения фермента и субстрата, вследствие чего субстрат переходит в нестабильное состояние, энергия активации уменьшается и образуются продукты реакции. После отделения продуктов активный центр возвращается в исходное состояние.

Свойства ферментов как биологических катализаторов

Ферменты, помимо общих свойств с неорганическими катализаторами, имеют определённые отличия от них. К этим отличиям относятся более высокая активность, более высокая специфичность, более мягкие условия для катализа и способность к регуляции активности.

Специфичность действия ферментов

Специфичность основана на комплементарности структуры субстрата и активного центра фермента. Все ферменты обладают специфичностью, однако степень специфичности у разных ферментов различна.

Высокая специфичность имеет важное биологическое значение, поскольку обеспечивает упорядоченность химических процессов в организме. Специфичность ферментов лежит в основе их обнаружения в тканях и биологических жидкостях.

Высокая каталитическая активность

Ферменты отличаются высокой каталитической активностью. Например, одна молекула карбоангидразы за одну минуту катализирует образование или расщепление 36 миллионов молекул угольной кислоты H₂CO₃.

Высокая активность ферментов имеет важное биологическое значение: они обеспечивают высокую скорость химических реакций в организме.

Зависимость активности ферментов от температуры

ТермолабильностьЗависимость активности ферментов от температуры.

При повышении температуры от 0 до 40 °C активность ферментов возрастает согласно правилу Вант-Гоффа: при повышении температуры на 10 °C скорость реакции увеличивается в 2–4 раза.

При дальнейшем повышении температуры активность начинает снижаться, что объясняется тепловой денатурацией белковой молекулы фермента. При понижении температуры активность ферментов снижается, но не исчезает полностью.

Инактивация фермента при низкой температуре обратима, а при высокой температуре она приобретает необратимый характер.

Зависимость активности ферментов от рН

У всех ферментов есть определённый интервал рН, в котором активность максимальна, — оптимум рН. Для каждого фермента существует свой узкий интервал оптимальных значений.

Оптимум рН для пепсина составляет 1,5–2,5, для трипсина — 8,0–8,5, для амилазы слюны — 7,2, для аргиназы — 9,7, для кислой фосфатазы — 4,5–5,0.

При изменении рН изменяется заряд ионогенных групп аминокислот в структуре фермента. Изменение ионизации приводит к нарушению ионных связей и изменению конформации белковой молекулы; вследствие этого субстрат связывается или не связывается с активным центром.

Фотолабильность ферментов

Ультрафиолетовые лучи вызывают фотоденатурацию белковых молекул и уменьшают активность ферментов.

Практическое применение свойств ферментов

Зависимость скорости реакции от концентрации фермента и субстрата

В некоторых случаях при дальнейшем увеличении концентрации субстрата между его молекулами возникает конкуренция за активный центр, и скорость реакции снижается.

Уравнение Михаэлиса-Ментен

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата описывает уравнение Михаэлиса-Ментен. Оно показывает взаимосвязь максимальной и реальной скоростей реакции, константы Михаэлиса и концентрации субстрата.

Константа Михаэлиса

Константа Михаэлиса является важной характеристикой фермента и характеризует его сродство к субстрату: увеличение величины K_m означает снижение сродства фермента к субстрату. Чем меньше K_m, тем выше сродство фермента к субстрату.

Графическое определение константы Михаэлиса

1. На графике зависимости скорости реакции от концентрации субстрата определяют V_max.
2. На оси скорости находят значение ½V_max и проводят линию до пересечения с кривой.
3. Из точки пересечения опускают перпендикуляр на ось концентрации субстрата.
4. Полученное значение [S] соответствует K_m.

График Лайнуивера-Берка

Для более удобного графического определения используют график двойных обратных величин Лайнуивера-Берка, соответствующий обратному уравнению Михаэлиса-Ментен:

Обратное уравнение 1/V = (K_m/V_max) · (1/[S]) + 1/V_max

График представляет прямую линию. Точка пересечения с осью 1/V соответствует 1/V_max, а точка пересечения с осью 1/[S] — −1/K_m.

Активаторы ферментов

В качестве активаторов могут служить ионы металлов, метаболиты и нуклеотиды.

Механизмы действия активаторов

Белок-белковое взаимодействие. Активатором протеинкиназы А является цАМФ. Присоединение цАМФ к регуляторным субъединицам вызывает изменение их конформации и отделение от каталитических субъединиц; каталитические субъединицы при этом активируются.

Фосфорилирование и дефосфорилирование. Это обратимая модификация ферментов. Присоединение фосфорной кислоты к белку осуществляют протеинкиназы, отщепление — протеинфосфатазы.

Ферменты могут быть активны как в фосфорилированном, так и в дефосфорилированном состоянии. При фосфорилировании гликогенфосфорилаза становится активной, а гликогенсинтаза — неактивной; при дефосфорилировании активна гликогенсинтаза, а гликогенфосфорилаза неактивна.

Ограниченный протеолиз. Некоторые ферменты синтезируются в виде более крупного неактивного предшественника. При поступлении в нужное место фермент активируется через отщепление одного или нескольких пептидных фрагментов.

При частичном протеолизе от профермента отщепляется фрагмент, блокирующий активный центр. Например, неактивный пепсиноген под действием HCl превращается в активный пепсин. Это необратимая модификация.

Ингибиторы ферментов

Неорганические кислоты и тяжёлые металлы, которые неспецифично снижают активность многих ферментов, являются не ингибиторами, а инактиваторами.

Эти классификации основаны на разных признаках. Конкурентное ингибирование относится к обратимому ингибированию.

Необратимое ингибирование

При необратимом ингибировании происходит связывание или разрушение функциональных групп фермента, необходимых для проявления его активности.

Конкурентное ингибирование

Конкурентный ингибитор по своей структуре похож на субстрат фермента, поэтому он конкурирует с субстратом за активный центр. Это приводит к уменьшению связывания субстрата с ферментом и нарушению катализа.

Ингибирование можно ослабить повышением концентрации субстрата. Максимальная скорость реакции остаётся достижимой при высокой концентрации субстрата.

Малоновая кислота сходна по строению с янтарной кислотой — субстратом сукцинатдегидрогеназы — и конкурентно угнетает активность этого фермента.

Конкурентный ингибитор уменьшает сродство фермента к субстрату: K_m повышается, V_max не изменяется.

Другой пример — сульфаниламиды, сходные по структуре с парааминобензойной кислотой. Они конкурентно нарушают её использование бактериальной клеткой для синтеза дигидрофолиевой кислоты.

Неконкурентное ингибирование

Неконкурентный ингибитор присоединяется не в активном центре, а в другом участке молекулы фермента. При этом структура активного центра изменяется так, что после связывания субстрата реакция становится невозможной.

Ингибитор связывается с ферментом независимо от субстрата, поэтому изменение концентрации субстрата не влияет на образование комплекса фермент—ингибитор. V_max снижается, K_m не изменяется; добавление субстрата не восстанавливает работу фермента.

Неконкурентное ингибирование может быть аллостерическим или связано с действием токсинов. Например, цианиды связываются с гемовым железом ферментов дыхательной цепи и блокируют клеточное дыхание.

Применение активаторов и ингибиторов как лекарственных средств

Структурная организация ферментов в клетке

Слаженность обменных процессов обеспечивается структурной разобщённостью ферментов. Отдельные реакции и метаболические пути протекают в тех компартментах, где находятся соответствующие ферменты и субстраты.

Ферменты, наиболее активные в определённой клеточной структуре, называются маркерными, или индикаторными. Изменение их активности отражает глубину структурного повреждения ткани.

Мультиферментный комплекс. Несколько прочно связанных ферментов, осуществляющих последовательные реакции. Продукт одной реакции непосредственно передаётся следующему ферменту и становится его субстратом.

Такая организация значительно ускоряет превращение молекул. Примеры: пируватдегидрогеназный и α-кетоглутаратдегидрогеназный комплексы, синтаза жирных кислот.

Регуляция активности ферментов в процессе метаболизма

Активность ферментов в клетке непостоянна. Она изменяется под влиянием внутренних и внешних факторов, обеспечивая приспособление клетки к новым условиям и ответ на гормональные и другие стимулы.

В многоступенчатых процессах выделяют регуляторные, или ключевые, ферменты, ограничивающие суммарную скорость процесса. Чаще всего это ферменты начальных и конечных стадий метаболического пути.

Аллостерическая регуляция

Аллостерические ферменты состоят из двух и более субъединиц: одни субъединицы содержат каталитический центр, другие являются регуляторными. Присоединение эффектора к регуляторной субъединице изменяет конформацию белка и активность каталитической субъединицы.

Аллостерические ферменты обычно находятся в начале метаболических путей и являются ключевыми. Конечный продукт процесса может подавлять начальный фермент — это обратная отрицательная связь, или ретроингибирование.

Если регулятором служит исходный метаболит или субстрат реакции, говорят о прямой регуляции; она может быть положительной или отрицательной.

Фосфофруктокиназа регулируется промежуточными и конечными продуктами распада глюкозы. АТФ, лимонная кислота и фруктозо-1,6-бисфосфат являются ингибиторами, а фруктозо-6-фосфат и АМФ — активаторами фермента.

Другой пример: высокие концентрации пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов угнетают начальные стадии собственного синтеза. Глюкозо-6-фосфат активирует гликогенсинтазу — конечный фермент синтеза гликогена.

Фосфорилирование и дефосфорилирование

Другие механизмы регуляции

Мембранная аденилатциклаза регулируется G-белком. Присоединение гормона к рецептору вызывает последовательную активацию G-белка и аденилатциклазы.

Образующийся цАМФ активирует протеинкиназу А: связывается с её регуляторными субъединицами и вызывает отделение активных каталитических субъединиц.

Физиологическое значение регуляции активности ферментов

• адаптация организма к изменению питания и воздействию факторов окружающей среды;
• ответ клеток на гормональные и другие сигналы;
• быстрое изменение направления и скорости метаболических процессов;
• согласование последовательных реакций посредством ключевых ферментов;
• ограничение синтеза конечного продукта по механизму обратной отрицательной связи.

Выделение ферментов из тканей

Поскольку ферменты имеют белковую природу, их выделение основано на общих принципах выделения и фракционирования белков. При этом необходимо сохранять каталитическую активность фермента.

1. Гомогенизация ткани. Ткань измельчают в холодном буферном растворе. Образец во время работы держат на льду, чтобы уменьшить денатурацию и протеолитическое разрушение фермента.
2. Получение бесклеточного экстракта. Гомогенат центрифугируют при низкой температуре; клеточные обломки осаждаются, растворимые ферменты остаются в надосадочной жидкости.
3. Фракционное осаждение. Белки разделяют по растворимости, обычно постепенно добавляя сульфат аммония. Соль добавляют медленно при охлаждении, избегая локально высокой концентрации.
4. Удаление солей и смена буфера. Используют диализ или гель-фильтрацию на обессоливающей колонке.
5. Хроматографическая очистка. Применяют ионообменную, гель-фильтрационную и аффинную хроматографию, разделяя белки по заряду, молекулярной массе и специфическому сродству.
6. Контроль очистки. После каждого этапа определяют общую активность фермента и общее количество белка. Рост удельной активности свидетельствует об очистке; одновременно оценивают выход сохранённой активности.

Обнаружение ферментов

Обнаружение ферментов основано на их высокой специфичности. Фермент выявляют по факту протекания реакции, которую он катализирует. Например, амилазу обнаруживают по расщеплению крахмала.

Количественное определение и единицы активности

Концентрация ферментов в клетках очень низка, поэтому обычно определяют не истинную концентрацию фермента, а его активность. Активность оценивают по скорости накопления продукта или убыли субстрата в пересчёте на время и количество исследуемого материала.

Определение проводят в стандартных условиях: при оптимальном рН, фиксированной температуре, одинаковом времени инкубации и избытке субстрата. В этих условиях скорость реакции прямо пропорциональна концентрации фермента.

Изменение активности ферментов в онтогенезе

Набор изоферментов, количество ферментов и их активность изменяются в ходе внутриутробного и постнатального развития в соответствии с условиями обмена веществ.

Основы клинической ферментологии

Основу жизненных процессов составляют тысячи химических реакций, катализируемых ферментами. Нарушения в работе ферментов приводят к возникновению тяжёлых заболеваний или существенному снижению качества жизни.

Клиническое значение при энзимопатиях может иметь накопление субстрата реакции, недостаток продукта либо оба нарушения одновременно. Накопление субстрата наблюдается, например, при фенилкетонурии, недостаток продукта — при альбинизме, сочетание обоих нарушений — при гликогенозах.

Клиническая ферментология рассматривает патологические изменения активности ферментов, их значение в развитии заболеваний, применение определения ферментативной активности для диагностики и использование ферментов в качестве лекарственных средств.

Основные типы энзимопатий

Фенилкетонурия

Основной путь превращения фенилаланина начинается с его гидроксилирования с образованием тирозина. Классическая фенилкетонурия наследуется аутосомно-рецессивно и вызывается мутацией, снижающей активность фенилаланин-4-монооксигеназы, обеспечивающей превращение фенилаланина в тирозин.

В тканях и жидкостях организма накапливаются фенилаланин и его производные: фенилпировиноградная, фенилмолочная, фенилуксусная и другие кислоты. Они оказывают прямое токсическое действие на центральную нервную систему, нарушают синтез моноаминовых нейромедиаторов, серотонина, простых и сложных белков.

Ребёнок при рождении выглядит здоровым; заболевание обычно проявляется в возрасте 2–6 месяцев. Отмечаются вялость, сонливость, нарушение мышечного тонуса, судороги, отставание в физическом и нервно-психическом развитии. Характерен необычный «мышиный» запах мочи и пота. Вовремя начатая диетотерапия с ограничением фенилаланина обеспечивает хороший клинический эффект.

Алкаптонурия

Алкаптонурия — генетическая аутосомно-рецессивная энзимопатия. В основе заболевания лежит снижение активности печёночного фермента гомогентизатоксидазы, вследствие чего в организме накапливается гомогентизиновая кислота.

Гомогентизиновая кислота на воздухе окисляется и полимеризуется в меланиноподобное соединение, поэтому наиболее постоянным симптомом является тёмная моча. На пелёнках и белье остаются тёмно-коричневые пятна.

С возрастом гомогентизиновая кислота накапливается в соединительнотканных образованиях, склерах и коже. Возникают охроноз, повреждение хрящей и дегенеративный артрит позвоночника и крупных суставов.

Наследственные гипераммониемии

Наследственные формы гипераммониемии вызваны генетическим дефектом одного из пяти ферментов синтеза мочевины. Аммиак токсичен; при хронической гипераммониемии развивается умственная отсталость, а выраженное повышение его концентрации может привести к коме и смерти.

Наиболее часто встречается гипераммониемия II типа, связанная с недостатком орнитинкарбамоилтрансферазы и сцепленная с X-хромосомой. При полном дефекте фермента заболевание начинается в первые 48 часов после рождения. Основные признаки: сонливость, отказ от пищи, рвота, беспокойство, судороги, нарушение координации и дыхательный алкалоз.

Принцип лечения состоит в ограничении белка в диете. Одновременно применяют глутамат, связывающий аммиак, и фенилацетат, образующий с глутамином водорастворимый комплекс, который выводится с мочой.

Другие примеры наследственных энзимопатий

Энзимодиагностика: принципы и задачи

Большинство ферментативных процессов локализовано внутри клеток, однако определение активности ферментов внеклеточной среды имеет диагностическое значение. Степень изменения активности ферментов клеточного метаболизма в сыворотке крови зависит от массы поражённого органа, распределения ферментов между тканями и их локализации во внутриклеточных органеллах.

При воспалении в первую очередь выходят цитоплазматические ферменты. При прогрессировании заболевания, некрозе клеток и разрушении органелл в кровь поступают также органелльные ферменты.

Основные задачи энзимодиагностики — выявить повреждение органа, определить его преимущественную локализацию, оценить глубину процесса и наблюдать его изменение. Для этого устанавливают соотношение активности отдельных ферментов и получают характерные ферментные спектры.

Основные направления энзимотерапии

Обмен веществ как признак живой материи

Метаболизм представляет собой высококоординированную и целенаправленную клеточную активность, обеспеченную участием многих взаимосвязанных ферментативных систем.

Метаболизм выполняет три специализированные функции:

Анаболизм и катаболизм

Промежуточный, или тканевой, обмен представляет собой превращение всосавшихся в кишечнике продуктов переваривания в соединения, характерные для данного организма, и их использование на различные цели. Метаболизм включает два взаимодополняющих друг друга процесса: катаболизм и анаболизм.

В реакциях анаболизма НАДФН передаёт атомы водорода на синтетические реакции и окисляется до НАДФ. Так формируется НАДФ–НАДФН-цикл.

Благодаря сбалансированности анаболизма и катаболизма в организме поддерживается постоянство концентрации многих химических веществ.

Факторы, влияющие на интенсивность обмена веществ

Основные этапы обмена веществ

Эти этапы характеризуют обмен веществ в организме в целом. От них следует отличать три этапа катаболизма органических веществ.

Три этапа катаболизма

I этап. Происходит в кишечнике при переваривании пищи или в лизосомах при расщеплении ненужных молекул. Белки распадаются до аминокислот, углеводы — до моносахаридов, липиды — до глицерина и жирных кислот. Освобождается около 1% энергии, заключённой в молекуле; она рассеивается в виде тепла.

II этап. Вещества, образованные при гидролизе или поступающие в клетку из крови, обычно превращаются в пировиноградную кислоту, ацетильную группу в составе ацетил-КоА и некоторые другие мелкие органические молекулы. Этап протекает в цитозоле и митохондриях. Часть энергии рассеивается в виде тепла, около 13% энергии вещества запасается в макроэргических связях АТФ.

III этап. Все реакции идут в митохондриях. Ацетил-КоА включается в цикл трикарбоновых кислот и окисляется до углекислого газа. НАДН и ФАДН₂ переносят водород в цепь дыхательных ферментов внутренней мембраны митохондрий. В результате окислительного фосфорилирования образуются вода и АТФ. Около 46% энергии исходного вещества запасается в связях АТФ и ГТФ.

Метаболические пути

Отдельные пути взаимосвязаны общими промежуточными продуктами. При катаболизме углеводов, липидов и аминокислот образуются пируват и ацетил-КоА. Ацетил-КоА поступает в цикл трикарбоновых кислот, а восстановленные НАДН и ФАДН₂ передают водород в дыхательную цепь.

Разные участки метаболических путей разделены пространственно: переваривание пищи происходит в желудочно-кишечном тракте, внутриклеточное расщепление ненужных молекул — в лизосомах, реакции второго этапа катаболизма — в цитозоле и митохондриях, реакции третьего этапа — в митохондриях.

Метаболиты крови как показатели нормы и патологии

Благодаря сбалансированности обменных процессов поддерживается постоянство концентрации многих химических веществ. При заболеваниях наблюдаются отклонения в содержании различных веществ, что используется с диагностическими целями.

Конечные продукты обмена и пути их выведения

К основным конечным продуктам обмена относятся вода, углекислый газ, соли аммония, мочевина и мочевая кислота.

По количеству выделяемых конечных продуктов через почки и кишечник оценивают состояние обмена веществ.

Методы изучения обмена веществ

Биохимия питания

Питание выполняет пластическую и энергетическую функции, служит источником биологически активных веществ и обеспечивает иммунные реакции организма.

Состав пищи человека

Требования к рациональному питанию

Основные пищевые вещества

Сущность переваривания основных пищевых веществ

Частичная взаимозаменяемость при питании

Белки, липиды и углеводы частично взаимозаменяемы как источники энергии. Избыток углеводов может использоваться для синтеза жирных кислот и триацилглицеролов. Глицерин и ряд аминокислот способны включаться в образование глюкозы. Достаточное поступление углеводов и липидов уменьшает расход белков на энергетические нужды.

Взаимозаменяемость ограничена: организм не может компенсировать отсутствие в пище незаменимых аминокислот, незаменимых полиненасыщенных жирных кислот, витаминов и минеральных веществ.

Незаменимые компоненты основных пищевых веществ

Полноценные пищевые белки содержат весь набор незаменимых аминокислот в необходимом соотношении и хорошо перевариваются в желудочно-кишечном тракте. Этим требованиям в большей степени отвечают белки животного происхождения.

Минеральные и минорные компоненты пищи

Минеральные вещества делятся на макроэлементы и микроэлементы; пограничной считают концентрацию 0,01%.

Региональные патологии при недостатке микроэлементов

Источником минеральных веществ являются растения и почвенная вода. Поэтому в регионах с недостатком определённых микроэлементов в почве, пище и воде развиваются эндемические заболевания.

Нормы питания детей раннего возраста

У детей энергетические затраты в расчёте на массу тела выше, чем у взрослых. Организм ребёнка более чувствителен к недостатку незаменимых компонентов, витаминов и микроэлементов.

Недостаток белка в детском возрасте приводит к задержке роста, замедлению умственного развития и нарушению гемопоэза. Избыточное поступление белка также нежелательно, поскольку увеличивает нагрузку на печень и почки. Недостаток ПНЖК нарушает деятельность центральной нервной системы, снижает иммунитет и изменяет различные виды обмена.

Особенности пищеварения и обмена у грудных детей

Переваривание белков в желудке менее активно, чем у взрослых, поскольку снижены активность пепсина и образование соляной кислоты. Кроме пепсина участвуют химозин, гастриксин, катепсины и протеазы грудного молока. Снижена активность протеолитических ферментов поджелудочной железы и слизистой кишечника.

У детей могут всасываться не только аминокислоты, но также пептиды и низкомолекулярные белки. Это обеспечивает поступление иммуноглобулинов грудного молока, но одновременно может способствовать развитию аллергических реакций.

Коротко- и среднецепочечные жирные кислоты молока могут всасываться без образования мицелл непосредственно в воротную вену. Лактоза и олигосахариды грудного молока способствуют развитию бифидофлоры кишечника.

Химический состав и значение грудного молока

Молозиво отличается небольшим объёмом, высокой плотностью и калорийностью. По сравнению со зрелым молоком в нём меньше лактозы, жира и водорастворимых витаминов, но больше белков, жирорастворимых витаминов, натрия, цинка, природных антиоксидантов, иммуноглобулинов и других защитных факторов.

Зрелое молоко начинает образовываться на 3–14-й день лактации и содержит около 400 органических и минеральных компонентов.

Витамины: определение и история открытия

Термин «витамины» возник в связи с тем, что первый витамин, открытый К. Функом в 1911 году, содержал аминогруппу и предотвращал развитие полиневрита.

Классификация витаминов

Для обозначения витаминов используют буквы латинского алфавита, названия, отражающие химическую природу вещества, и названия с приставкой «анти-», указывающие на заболевание, возникающее при его отсутствии.

Общие свойства и биологические функции

• В организме человека витамины обычно не образуются и должны поступать с пищей. Исключениями являются витамин PP, который может синтезироваться из триптофана, и витамин D, образующийся из холестерола.
• Витамины не являются пластическим материалом и не служат источником энергии; исключением в обоих случаях считают витамин F.
• Они необходимы для жизненных процессов и биологически активны в малых количествах.
• Витамины влияют на биохимические процессы во многих тканях и органах, то есть не обладают органной специфичностью.

Основные этапы обмена витаминов

Авитаминозы и гиповитаминозы

Алиментарную недостаточность корректируют продуктами и препаратами, содержащими недостающий витамин. При нарушении всасывания витаминные препараты могут вводить парентерально, минуя желудочно-кишечный тракт.

Гипервитаминозы

Особенно легко накапливаются жирорастворимые витамины. Общими проявлениями гипервитаминозов могут быть потеря аппетита, расстройства желудочно-кишечного тракта, сильные головные боли, повышенная возбудимость нервной системы, выпадение волос и шелушение кожи. Наиболее выраженная картина гипервитаминоза характерна для витаминов A и D.

Витамин A: источники, потребность и активные формы

Витамин A — ретинол, антиксерофтальмический витамин. Ретиноиды представляют собой β-иононовое кольцо с метильными заместителями и изопреновой цепью.

Биологические функции витамина A

Регуляция экспрессии генов

Ретиноевая кислота служит лигандом ядерных рецепторов и необходима для экспрессии генов, участвующих в реакции клетки на гормоны и ростовые стимулы. Она регулирует нормальный рост и дифференцировку клеток эмбриона и молодого организма, стимулирует деление и дифференцировку хрящевой и костной тканей, эпителия кожи и слизистых оболочек, сперматогенного эпителия, плаценты и клеток иммунной системы.

Участие в фотохимическом акте зрения

11-цис-ретиналь в комплексе с белком опсином образует родопсин — зрительный пигмент палочек сетчатки, обеспечивающих чёрно-белое сумеречное зрение. Под действием света родопсин распадается на опсин и полностью транс-ретиналь, при этом возникает электрический сигнал. Затем транс-ретиналь ферментативно превращается в 11-цис-ретиналь и вновь соединяется с опсином.

Антиоксидантная функция

Благодаря двойным связям в изопреновой цепи витамин A участвует в нейтрализации свободных кислородных радикалов; особенно выражена эта функция у каротиноидов.

Гиповитаминоз и авитаминоз A

Причиной может быть недостаток витамина A в пище, нехватка витаминов E и C, защищающих ретинол от окисления, а также гипотиреоз, при котором снижается активность железосодержащих ферментов превращения каротиноидов в ретинол.

• Нарушение темновой адаптации — куриная слепота.
• Задержка роста, похудание и истощение.
• Кожа: гиперкератоз, сухость и шелушение, склонность к вторичным гнойным процессам.
• Глаза: ксерофтальмия вследствие ороговения и закупорки слёзного канала; воспаление и кератомаляция роговицы.
• Слизистые оболочки: нарушение синтеза гликопротеинов и барьерной функции эпителия желудочно-кишечного тракта, дыхательных и мочеполовых путей.
• Репродуктивная система: нарушение сперматогенеза и репродуктивной функции.

Гипервитаминоз A

Основной причиной является избыточный приём витамина A в составе витаминных препаратов и, реже, пищи.

Острое отравление сопровождается головной болью, тошнотой, слабостью, ступором, отёком соска зрительного нерва вследствие ликворной гипертензии и повышением температуры.

Хроническое отравление проявляется нарушением пищеварения, потерей аппетита и массы тела, сухим дерматитом и ломкостью костей. В высоких дозах витамин A обладает нефротоксичностью, канцерогенностью и эмбриотоксичностью.

Витаминзависимые и витаминрезистентные состояния

Витаминзависимые состояния связаны с генетическими дефектами ферментов, использующих витамин или образованную из него коферментную форму. При снижении сродства фермента к коферменту активность реакции может повышаться при назначении увеличенных доз соответствующего витамина.

Витаминрезистентные состояния наблюдаются, в частности, в детском возрасте при нарушении превращения витамина в активную форму или его включения в состав кофермента. Обычные дозы витамина не устраняют нарушение; используют готовые коферментные формы витаминов.

Биологическое окисление

Биологическое окисление выполняет ряд важных функций:

По современным представлениям процесс окисления веществ заключается в потере ими электронов. Вещество, теряющее электроны, — донор электронов, вещество, присоединяющее электроны, — акцептор электронов. У аэробных организмов конечным акцептором электронов служит кислород. У анаэробных организмов электроны переносятся не на кислород, а на другие вещества.

Краткая история учения о биологическом окислении

Перекисная теория А. Н. Баха

На первых этапах изучения процессов окисления были предложены теории активации кислорода, в которых предполагался механизм его активации, поскольку кислород в организме является более активным окислителем, чем вне организма. К теориям этого направления относится перекисная теория А. Н. Баха. Согласно ей, в организме имеются вещества, которые, взаимодействуя с молекулярным кислородом, образуют перекисные соединения, в которых кислород становится более активным.

Впоследствии кислород в составе перекиси окисляет многие субстраты в организме. В результате к окисленному веществу присоединяется кислород. Эта теория носит частный характер.

Теория дегидрирования А. В. Палладина

Согласно теории дегидрирования, вещества окисляются не путём присоединения кислорода, а путём потери атомов водорода. В первую, анаэробную, фазу окисления происходит перенос атомов водорода с субстрата (RH₂) на акцептор (X) при участии ферментов дегидрогеназ.

Во вторую, аэробную, стадию атомы водорода переносятся с восстановленного акцептора (XH₂) на кислород. Акцептор при этом окисляется и повторно участвует в дегидрировании субстрата. По теории Палладина допускалось участие в окислительных процессах кислорода воды. Эта теория более универсальна и положена в основу современных представлений о биологическом окислении.

Кислород как конечный акцептор электронов

Митохондрии поглощают до 80–90% всего потребляемого клеткой кислорода. Компоненты внутримитохондриального окисления встроены во внутреннюю мембрану митохондрий в определённой последовательности и образуют цепи переноса электронов.

Цитохромоксидаза является конечным, терминальным, участком цепи переноса электронов и переносит электроны непосредственно на кислород. Под действием цитохромоксидазы на молекулу кислорода переносятся четыре электрона. Восстановленная форма кислорода затем взаимодействует с четырьмя протонами с образованием воды.

Активные формы кислорода

Окисление с участием оксидаз происходит в основном на внешней мембране митохондрий. Оксидазы — аэробные флавиновые дегидрогеназы, которые переносят электроны от окисляемых субстратов по короткой цепи на кислород. Примерами являются окисление некоторых аминокислот аминокислотоксидазами, аминов — аминооксидазами, ксантина — ксантиноксидазой. В результате такого окисления в тканях образуются активные формы кислорода.

В физиологических условиях образуется очень небольшое количество активных форм кислорода. Они регулируют проницаемость клеточных мембран путём окисления липидов в составе мембран, влияют на активность мембранных ферментов и участвуют в синтезе биологически активных эйкозаноидов.

Бактерицидное действие АФК в фагоцитирующих лейкоцитах

Особенно важную роль в физиологических условиях активные формы кислорода играют в фагоцитозе, принимая участие в нескольких механизмах уничтожения чужеродных веществ и микроорганизмов.

Защитная антиокислительная система

Для разрушения избыточных концентраций активных форм кислорода в организме существует защитная антиокислительная система. Она представлена ферментами и веществами неферментативной природы.

НАДФН работает в кооперации с глутатионредуктазой, глутатионом и глутатионпероксидазой, восстанавливающей пероксид водорода до воды. Пероксид водорода в клетке образуется из свободных кислородных радикалов, являющихся обычными продуктами деятельности некоторых ферментов.

При ослаблении антиоксидантной системы пероксид водорода накапливается в клетках, усиливается повреждение мембран. Особенно существенно это для эритроцитов, в которых НАДФН необходим для восстановления глутатиона и поддержания резистентности клетки.

Катаболизм, анаболизм и их взаимосвязь

Метаболизм включает два взаимодополняющих друг друга процесса: катаболизм и анаболизм.

Большая часть энергии, высвобождаемой при катаболизме, рассеивается в виде тепла. Меньшая часть «перехватывается» коферментами окислительных реакций НАД и ФАД, некоторая часть сразу используется для синтеза АТФ. Энергия АТФ затем используется в реакциях анаболизма.

Для биосинтеза некоторых веществ, в частности жирных кислот и холестерола, требуются богатые энергией атомы водорода. Их источником является НАДФН. В реакциях анаболизма НАДФН передаёт атомы водорода на синтетические реакции и окисляется до НАДФ.

Атомы водорода, высвобождаемые в реакциях окисления веществ, используются клеткой по двум направлениям:

1. на анаболические реакции в составе НАДФН;
2. на образование АТФ в составе НАДН и ФАДН₂ в дыхательной цепи митохондрий.

Этапы катаболизма и преобразование энергии

Весь катаболизм подразделяется на три этапа.

Таким образом, из 100% молекулярной энергии на втором и третьем этапах клетка запасает около 59%: 13% на втором этапе и 46% на третьем.

Экзэргонические и эндэргонические реакции

Энергетический обмен — сбалансированное протекание реакций образования и реакций использования энергии.

Окислительно-восстановительный потенциал начальной пары НАД⁺/НАДН равен −0,32 В, а конечной пары дыхательной цепи — +0,82 В. В результате разницы потенциалов происходит перемещение электронов с высвобождением энергии.

ΔF = −23 · n · ΔE
ΔE = 0,82 − (−0,32) = 1,14 В
ΔF = −23 · 2 · 1,14 = −52 ккал/моль

В формуле n — количество переносимых электронов на один атом кислорода, ΔE — перепад окислительно-восстановительного потенциала между началом и концом цепи переноса электронов.

Энергия, которая может быть использована для выполнения работы, называется свободной энергией. Высвободившаяся энергия используется организмом для обогрева и выполнения различных видов работы:

Макроэргические соединения. АТФ

К макроэргическим соединениям относятся фосфоенолпируват, креатинфосфат, 1,3-дифосфоглицерат, активные формы жирных кислот, а также нуклеотиды АТФ, ГТФ, ЦТФ и УТФ.

Среди всех макроэргов центральное место занимает АТФ — аденозинтрифосфат. АТФ является аккумулятором и источником химической энергии, основной и универсальной молекулой, запасающей энергию.

В состав АТФ входят аденин, рибоза и три остатка фосфорной кислоты. В молекуле АТФ заключена энергия от 7,3 ккал/моль в стандартных условиях до 12 ккал/моль в физиологических условиях.

АТФ синтезируется из АДФ и фосфорной кислоты с затратой энергии. Присоединение фосфорной кислоты называется фосфорилированием. Распад АТФ, напротив, является экзэргоническим процессом.

Цикл АТФ↔АДФ и использование АТФ

Все молекулы АТФ в организме непрерывно участвуют в реакциях, постоянно расщепляются до АДФ и вновь регенерируют. АТФ синтезируется из АДФ и расщепляется с образованием АДФ, поэтому в тканях постоянно осуществляется цикл АДФ–АТФ.

Существует три основных способа использования АТФ:

1. химическая работа — биосинтез веществ;
2. осмотическая работа — транспорт веществ и поддержание концентрационных градиентов;
3. механическая работа — мышечное сокращение и другие виды движения.

АТФ является энергетической «разменной валютой» клетки: энергия катаболизма используется для образования АТФ, а энергия гидролиза АТФ — для выполнения клеточной работы.

Основные источники энергии в клетке

В клетке существуют четыре основных процесса, обеспечивающих высвобождение энергии из химических связей при окислении веществ и её запасание.

1. Гликолиз, II этап катаболизма. Глюкоза окисляется до двух молекул пировиноградной кислоты, при этом образуются две молекулы АТФ и НАДН. В аэробных условиях пировиноградная кислота превращается в ацетил-SКоА, в анаэробных — в молочную кислоту.
2. β-Окисление жирных кислот, II этап катаболизма. Жирные кислоты окисляются до ацетил-SКоА с образованием НАДН и ФАДН₂. Молекулы АТФ непосредственно в этом процессе не образуются.
3. Цикл трикарбоновых кислот, III этап катаболизма. Ацетильная группа в составе ацетил-SКоА или другие кетокислоты окисляются до углекислого газа. Один оборот цикла сопровождается образованием одной молекулы ГТФ, трёх молекул НАДН и одной молекулы ФАДН₂.
4. Окислительное фосфорилирование, III этап катаболизма. Окисляются НАДН и ФАДН₂, полученные в реакциях катаболизма. Ферменты внутренней мембраны митохондрий обеспечивают образование основного количества клеточного АТФ из АДФ.

Основные пути фосфорилирования АДФ

Особенности энергетического обмена у детей

Особенности энергетического обмена у детей определяются повышенными энергозатратами. Скорость окислительных процессов в течение первого года жизни в три раза выше, чем у взрослых, а в более позднем возрасте — в два раза.

Это проявляется более высокой потребностью в кислороде, повышенной калорийностью рациона, большей скоростью обмена АТФ и активностью ферментов энергетического обмена.

В то же время у детей существует несовершенство регуляции энергетического обмена. Может возникать несоответствие между процессами образования энергии и теплоотдачей.

НАД⁺- и НАДФ⁺-зависимые дегидрогеназы

Никотинамидзависимые дегидрогеназы — сложные белки, состоящие из белковой и небелковой частей. Белковая часть определяет специфичность дегидрогеназ, имеет молекулярную массу порядка 70–100 тыс. Да. В активном центре дегидрогеназ присутствуют SH-группы. Коферменты представлены динуклеотидами НАД и НАДФ.

Коферменты НАД и НАДФ влияют на третичную структуру дегидрогеназ, придают активность белковой части фермента и участвуют в переносе водорода. Они непрочно связаны с белковой частью фермента. Непосредственным акцептором протонов и электронов в составе НАД или НАДФ является никотинамид — витамин РР.

Строение НАД⁺ и НАДФ⁺

НАД — никотинамидадениндинуклеотид. В его состав входят два нуклеотида: аденин–рибоза–фосфат и никотинамид–рибоза–фосфат.

НАДФ — никотинамидадениндинуклеотидфосфат. Он отличается от НАД дополнительным остатком фосфорной кислоты у 2′-атома рибозы аденозиновой части молекулы.

Окисленная и восстановленная формы

НАД и НАДФ переносят гидрид-ионы H⁻ — атом водорода вместе с электроном — в окислительно-восстановительных реакциях. Гидрид-ион присоединяется к никотинамидному кольцу кофермента, вследствие чего окисленная форма восстанавливается. Второй протон остаётся в среде.

Витамин РР

Витамин B₃ (РР, ниацин, антипеллагрический витамин) существует в виде никотиновой кислоты и никотинамида. Название РР происходит от выражения preventive pellagra — предотвращающий пеллагру.

Хорошими источниками витамина являются печень, мясо, рыба, бобовые, гречка и чёрный хлеб; в молоке и яйцах витамина мало. Никотинамид также синтезируется в организме из триптофана: 60 мг триптофана равноценны примерно 1 мг никотинамида.

Суточная потребность составляет 15–25 мг. Коферментными формами витамина являются НАД и НАДФ.

Важнейшие субстраты НАД⁺- и НАДФ⁺-зависимых дегидрогеназ

В организме встречаются дегидрогеназы, активные только в присутствии НАД, ферменты, использующие только НАДФ, и дегидрогеназы, способные использовать оба кофермента.

НАД и НАДФ служат коферментами большинства дегидрогеназ, участвующих в синтезе и окислении карбоновых кислот, аминокислот, углеводов и липидов.

Использование НАДН и НАДФН

НАД является субстратом поли-АДФ-рибозилирования при сшивке хромосомных разрывов и репарации ДНК. НАДФН необходим антиоксидантной системе клетки, участвует в восстановлении фолиевой кислоты до тетрагидрофолиевой и в восстановлении тиоредоксина при синтезе дезоксирибонуклеотидов.

НАД⁺-дегидрогеназы и перенос электронов во внутренней мембране митохондрий

Длинная дыхательная цепь начинается в матриксе митохондрий при участии НАД⁺-зависимых дегидрогеназ. В матриксе происходит дегидрирование субстратов, образующихся в процессе метаболизма, с переносом электронов и протонов на НАД⁺. Образовавшийся НАДН затем окисляется компонентами дыхательной цепи внутренней мембраны митохондрий.

1. НАДН передаёт два электрона на ФМН I комплекса.
2. Электроны проходят через железосерные центры.
3. I комплекс передаёт электроны на коэнзим Q — убихинон.
4. Одновременно I комплекс переносит четыре иона H⁺ на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.

Авитаминоз РР

Причина: пищевая недостаточность ниацина и триптофана.

Клиническая картина: заболевание пеллагра — «шершавая кожа». Оно проявляется синдромом трёх D:

При отсутствии лечения заболевание заканчивается летально. У детей при гиповитаминозе наблюдаются замедление роста, похудание и анемия.

Флавиновые ферменты

Флавопротеиды, или флавиновые дегидрогеназы, — сложные белки, состоящие из белковой и небелковой частей. Небелковая часть представлена флавинмононуклеотидом — ФМН — или флавинадениндинуклеотидом — ФАД.

Белковая часть флавопротеидов имеет большую молекулярную массу — около 200 тыс. Да — и прочно связывается с небелковой частью. Поэтому ФАД и ФМН функционируют в составе флавопротеидов как прочно связанные простетические группы.

Витамин B₂ и строение рибофлавина

Витамин B₂ — рибофлавин, или витамин роста. В состав рибофлавина входит флавин — изоаллоксазиновое кольцо с заместителями — и спирт рибитол.

Коферментные формы витамина дополнительно содержат фосфорную кислоту с образованием ФМН либо фосфорную кислоту, дополнительно связанную с АМФ, с образованием ФАД.

Структура ФМН и ФАД

ФМН — флавинмононуклеотид. Он состоит из флавина, рибитола и остатка фосфорной кислоты.

ФАД — флавинадениндинуклеотид. Он включает флавиновый и адениловый нуклеотиды: флавин–рибитол–фосфат и аденин–рибоза–фосфат. Таким образом, ФАД представляет собой ФМН, соединённый с АМФ.

Механизм восстановления ФАД и ФМН

Флавиновый кофермент оксидоредуктаз обеспечивает перенос двух атомов водорода в окислительно-восстановительных реакциях. Окисленная флавиновая группировка принимает два атома водорода от субстрата и превращается в восстановленную форму ФАДH₂ или ФМНH₂.

Окислительные реакции с участием флавиновых ферментов

К флавиновым ферментам и флавинсодержащим системам энергетического обмена относятся пируватдегидрогеназа, α-кетоглутаратдегидрогеназа, сукцинатдегидрогеназа, ацил-SКоА-дегидрогеназа и митохондриальная глицерол-3-фосфатдегидрогеназа.

В качестве субстратов флавопротеидов служат янтарная кислота и активированные жирные кислоты. При их окислении флавопротеиды являются первичными акцепторами протонов и электронов.

К флавиновым ферментам относятся также оксидазы, окисляющие субстраты с участием молекулярного кислорода. Примером является моноаминоксидаза, участвующая в обезвреживании биогенных аминов — гистамина, серотонина и дофамина. В реакции образуются соответствующий альдегид, аммиак и пероксид водорода.

Первичные, промежуточные и последующие акцепторы

При окислении янтарной кислоты и активированных жирных кислот флавопротеиды являются первичными акцепторами протонов и электронов. Донором водорода для флавопротеина может быть также НАДН; в этом случае флавопротеид является промежуточным акцептором протонов и электронов.

ФАД-зависимые ферменты внутренней мембраны восстанавливают ФАД в ходе окислительно-восстановительной реакции. Затем электроны от ФАДH₂ передаются на железосерные белки внутренней мембраны и далее поступают на коэнзим Q.

ФМН входит в состав I комплекса дыхательной цепи и принимает электроны от НАДН. Далее электроны передаются через железосерные центры на коэнзим Q:

Биологическая роль и обмен витамина B₂

Витамин B₂ входит в состав коферментов ФМН и ФАД и участвует в биологическом окислении. В кишечнике рибофлавин освобождается из состава пищевых ФМН и ФАД и диффундирует в кровь. В слизистой кишечника и других тканях вновь образуются ФМН и ФАД.

Достаточное количество витамина содержат мясные продукты, печень, почки, молочные продукты и дрожжи. Рибофлавин также образуется кишечными бактериями. Суточная потребность составляет 2,0–2,5 мг.

Недостаточность витамина B₂

Причины: пищевая недостаточность, хранение пищевых продуктов на свету, фототерапия, алкоголизм и нарушения желудочно-кишечного тракта.

В первую очередь страдают высокоаэробные ткани — эпителий кожи и слизистых оболочек.

Структурная организация митохондриальной дыхательной цепи

Внутренняя митохондриальная мембрана содержит ряд мультиферментных комплексов, включающих множество ферментов. Эти ферменты называют дыхательными ферментами, а последовательность их расположения в мембране — дыхательной цепью.

Цепь переноса электронов включает около 40 разнообразных белков, организованных в четыре крупных мембраносвязанных мультиферментных комплекса. НАДН и ФАДН₂ передают электроны дыхательным ферментам. Электроны движутся по цепи и теряют энергию, которая используется для переноса H⁺ из матрикса в межмембранное пространство. В конце цепи электроны поступают на кислород и восстанавливают его до воды.

Ферменты расположены в строго определённой последовательности. Каждый последующий компонент обладает большим сродством к электронам и более положительным окислительно-восстановительным потенциалом, чем предыдущий. Это обеспечивает однонаправленное движение электронов.

Ферментные комплексы дыхательной цепи

Перенос H⁺ через мембрану осуществляют комплексы I, III и IV. II комплекс передаёт электроны на коэнзим Q, но не является участком выкачивания протонов.

Длинная и короткая дыхательные цепи

После передачи электронов на коэнзим Q длинная и короткая цепи объединяются: восстановленный КоQ окисляется системой цитохромов, а конечным акцептором электронов становится кислород.

Убихинон — коэнзим Q

Убихинон — небелковое липидоподобное вещество, локализованное во внутренней мембране митохондрий. Молекула содержит хиноновую часть и длинный гидрофобный углеводородный остаток, благодаря которому коэнзим Q находится в липидной части мембраны.

Коэнзим Q принимает электроны от I комплекса и от ФАД-зависимого участка II комплекса. При присоединении двух электронов и двух протонов окисленный КоQ превращается в восстановленную форму — КоQH₂.

Железосеросодержащие белки

Железосерные белки, или Fe-S-белки, содержат атомы железа, связанные с атомами серы. Железо соединено с неорганической серой и серой остатков цистеина, образуя железосерный центр.

Fe-S-белки являются промежуточными переносчиками электронов. В I комплексе шесть железосерных белков передают электроны от ФМН к коэнзиму Q. Они также участвуют в передаче электронов от ФАДН₂ на КоQ в составе II комплекса. Два железосерных белка входят в III комплекс и участвуют в переносе электронов от восстановленного коэнзима Q к цитохромам.

Цитохромы

Цитохромы — гемсодержащие белки. Они отличаются строением белковой части, структурой гема, оптическими свойствами и величиной окислительно-восстановительного потенциала.

Небелковая часть цитохромов представлена гемом — структурой, включающей порфириновое кольцо и атом железа. Перенос электронов осуществляется за счёт обратимого окисления и восстановления железа гема:

Fe²⁺ ⇄ Fe³⁺

В дыхательной цепи цитохромы расположены по возрастанию окислительно-восстановительного потенциала. Цитохромы b и c₁ входят в III комплекс. Цитохром c переносит электроны от III комплекса к IV. Цитохромы a и a₃ входят в состав IV комплекса.

Цитохромоксидаза

Цитохромоксидаза представляет собой IV, терминальный комплекс дыхательной цепи. Она включает два гема цитохромов a и a₃, ионы меди и шесть полипептидных цепей; молекулярная масса составляет около 450 тыс. Да.

Цитохромоксидаза принимает электроны от цитохрома c и является единственным комплексом, способным передавать их непосредственно на молекулярный кислород. Четыре электрона передаются на O₂, после чего восстановленный кислород взаимодействует с четырьмя протонами с образованием воды.

Последовательность переноса электронов

Таким образом, коэнзим Q объединяет потоки электронов от I и II комплексов, цитохром c соединяет III и IV комплексы, а цитохромоксидаза передаёт электроны конечному акцептору — кислороду.

Внемитохондриальное окисление

Внемитохондриальное окисление протекает в эндоплазматической сети, пероксисомах, на наружной мембране митохондрий и в цитозоле. Этот вид окисления в разных тканях расходует разное количество кислорода.

Основные функции внемитохондриального окисления:

• антитоксическая функция — обезвреживание токсических веществ путём их окисления;
• синтез новых соединений путём окислительных реакций.

Различают несколько видов внемитохондриального окисления в зависимости от внутриклеточной локализации и участвующих компонентов. Во внемитохондриальном окислении принимают участие флавопротеиды, цитохром P450, цитохром b₅, оксигеназы и пероксидазы.

Окислительные системы наружной мембраны митохондрий

Окисление с участием оксидаз происходит в основном на наружной мембране митохондрий. Оксидазы — аэробные флавиновые дегидрогеназы, которые переносят электроны от окисляемых субстратов по короткой цепи на кислород.

Примеры: окисление некоторых аминокислот аминокислотоксидазами, аминов — аминооксидазами, ксантина — ксантиноксидазой. В результате такого окисления в тканях образуются активные формы кислорода.

Биологическое значение активных форм кислорода

В физиологических условиях образуется очень небольшое количество активных форм кислорода. Они участвуют в регуляции проницаемости клеточных мембран путём окисления липидов в составе мембран, регулируют активность мембранных ферментов и участвуют в синтезе биологически активных эйкозаноидов.

Особенно важную роль активные формы кислорода играют в фагоцитозе:

• при контакте с чужеродными веществами в фагоцитах активируется мембранная флавиновая оксидаза; под её действием образуются супероксидные анион-радикалы, вызывающие окисление чужеродного вещества;
• в фагоцитах активируется миелопероксидаза; окисляя хлориды с образованием HOCl, она образует атомарный кислород, который окисляет чужеродные вещества, повышает проницаемость мембран фагоцитов и облегчает эндоцитоз;
• образующийся из NO сильный окислитель пероксинитрит ONOO⁻ также участвует в фагоцитозе;
• дефензины формируют в оболочках поглощаемых микроорганизмов дополнительные ионные каналы и способствуют их разрушению.

В патологических условиях высокие концентрации активных форм кислорода оказывают токсическое действие: окисляют липиды, белки и нуклеиновые кислоты. NO угнетает окислительное фосфорилирование. Для разрушения избыточных концентраций активных форм кислорода существует защитная антиоксидантная система.

Диоксигеназные реакции

Окисление с участием оксигеназ наиболее активно протекает в эндоплазматической сети. В нём участвуют диоксигеназы и монооксигеназы.

Диоксигеназы катализируют окисление субстрата путём присоединения двух атомов кислорода:

Примерами служат окисление гомогентизиновой кислоты диоксигеназой гомогентизиновой кислоты и окисление триптофана триптофанпирролазой с разрывом пиррольного кольца.

Монооксигеназные реакции и микросомальное окисление

Монооксигеназы катализируют окисление субстратов путём присоединения одного атома кислорода. Этот вид окисления активно протекает в эндоплазматической сети печени, где на него расходуется до 50% поглощаемого кислорода.

В микросомальном окислении участвуют дополнительные вещества — косубстраты НАДФН или витамин C, выполняющие функцию донора водорода для связывания второго атома кислорода.

Микросомальное окисление — последовательность реакций с участием оксигеназ и НАДФН, приводящих к внедрению атома кислорода в состав неполярной молекулы и появлению у неё гидрофильности.

Реакции осуществляются несколькими ферментами, расположенными на мембранах эндоплазматического ретикулума; в условиях in vitro эти мембраны называют микросомальными. Ферменты образуют короткую цепь, которая заканчивается цитохромом P450. Цитохром P450 включает один атом кислорода в молекулу субстрата, а другой — в молекулу воды.

Цель микросомального окисления заключается в увеличении реакционной способности молекулы и её способности вступать в реакции конъюгации, а также в придании молекуле гидрофильности. Это способствует выведению вещества с мочой и препятствует его накоплению в нервной и жировой ткани.

Микросомальное окисление в основном выполняет антитоксическую функцию: обезвреживаются продукты гниения белков и лекарственные вещества. Оно участвует в синтезе тирозина и биогенных аминов, а также в биотрансформации различных ксенобиотиков. В молекуле формируется гидроксильная группа, к которой затем могут присоединяться глюкуроновая кислота, H₂SO₄ или глутатион.

Субстрат окисления не обязательно является чужеродным веществом. Микросомальному окислению подвергаются также предшественники желчных кислот, стероидных гормонов и другие метаболиты.

Пероксидазные реакции

Пероксидазное окисление протекает по схеме:

Примеры пероксидаз: каталаза, глутатионпероксидаза и йодидпероксидаза. Йодидпероксидаза участвует в синтезе тиреоидных гормонов.

Сопряжение окисления с фосфорилированием

Окислительное фосфорилирование — основная часть биологического окисления, или тканевого дыхания, то есть процессов, протекающих в организме с участием кислорода.

Окислительное фосфорилирование — многоэтапный процесс, происходящий во внутренней мембране митохондрий и заключающийся в окислении восстановленных эквивалентов — НАДН и ФАДН₂ — с одновременным синтезом АТФ.

Процессы окисления в дыхательной цепи и синтеза АТФ тесно взаимосвязаны, или сопряжены. Ведущим процессом является транспорт электронов, сопутствующим — фосфорилирование АДФ.

В физиологических условиях степень сопряжения окисления и фосфорилирования увеличивают инсулин, витамины E и K.

1. Образующиеся в реакциях катаболизма НАДН и ФАДН₂ передают протоны и электроны ферментам дыхательной цепи.
2. Электроны движутся по дыхательной цепи и теряют энергию.
3. Эта энергия используется для выкачивания H⁺ из матрикса в межмембранное пространство.
4. В конце дыхательной цепи электроны переходят на кислород, который восстанавливается до воды.
5. Протоны возвращаются в матрикс через АТФ-синтазу.
6. Энергия протонного потока используется для синтеза АТФ.

Участки сопряжения и образование протонного потенциала

Механизм окислительного фосфорилирования объясняется хемоосмотической теорией Питера Митчелла. Перенос электронов по внутренней митохондриальной мембране вызывает выкачивание H⁺ из матрикса в межмембранное пространство. Внутренняя мембрана митохондрий практически непроницаема для протонов, поэтому между её сторонами формируется электрохимический, или протонный, градиент.

Перенос H⁺ происходит в строго определённых участках мембраны — участках сопряжения, или пунктах фосфорилирования. Ими являются I, III и IV комплексы дыхательной цепи:

В длинной дыхательной цепи имеются три участка сопряжения — I, III и IV комплексы, в короткой цепи — два: III и IV комплексы.

Протонный потенциал имеет две составляющие: электрическую — разность зарядов по обе стороны мембраны — и концентрационную, обусловленную различием pH:

АТФ-синтаза

V комплекс дыхательной цепи — АТФ-синтаза. Это фермент, состоящий из множества белковых цепей, объединённых в две функциональные части.

Для непосредственного синтеза одной молекулы АТФ необходимо прохождение приблизительно трёх H⁺. Ещё один протон требуется для переноса через мембрану неорганического фосфата, АДФ и АТФ. Таким образом, для получения одной молекулы АТФ из АДФ в целом требуется около четырёх H⁺.

Дыхательный контроль

При исчерпании запасов АДФ и накоплении АТФ АТФ-синтаза лишается субстрата, H⁺ перестают возвращаться в матрикс, а протонный градиент возрастает. Его ингибирующее влияние усиливается, движение электронов замедляется, дыхательные комплексы остаются в восстановленном состоянии. Уменьшается окисление НАДН и ФАДН₂ и замедляется катаболизм.

При интенсивной работе клетки и расходовании АТФ возрастает содержание АДФ. АТФ-синтаза начинает работать, H⁺ возвращаются в матрикс и электрохимический градиент снижается. Дыхательная цепь ускоряется, усиливается окисление НАДН и ФАДН₂, снимается ингибирующее влияние НАДН на цикл лимонной кислоты и пируватдегидрогеназный комплекс. Активируется катаболизм углеводов и жиров.

Таким образом, дыхательный контроль поддерживает содержание АТФ на относительно постоянном уровне и приводит в соответствие процессы образования и использования энергии.

Разобщение окисления и фосфорилирования

Разобщение — частичное или полное прекращение синтеза АТФ при сохранении транспорта электронов по дыхательной цепи.

Разобщители снижают величину электрохимического градиента. В результате скорость движения электронов по дыхательной цепи увеличивается, синтез АТФ уменьшается, катаболизм возрастает, а энергия протонного градиента рассеивается в виде тепла.

К разобщителям прежде всего относятся протонофоры — вещества, переносящие H⁺ из межмембранного пространства в матрикс в обход АТФ-синтазы. При этом уменьшаются обе составляющие электрохимического градиента: разность pH и разность зарядов.

Классическим протонофором является динитрофенол. Это жирорастворимое соединение присоединяет H⁺ на наружной поверхности внутренней митохондриальной мембраны и отдаёт их на внутренней поверхности.

Разобщению также способствуют салицилаты, жирные кислоты, высокие концентрации трийодтиронина и других тиреоидных гормонов, билирубин. При действии разобщителей транспорт электронов сохраняется или ускоряется, но образуется меньше АТФ.

Терморегуляторная роль тканевого дыхания

Физиологическим протонофором является белок термогенин, в большом количестве присутствующий в клетках бурой жировой ткани. Существенное отличие бурой жировой ткани от белой — большое количество митохондрий, придающих клеткам буро-красный цвет.

При охлаждении организма клетки бурой жировой ткани получают сигналы по симпатическим нервам, в них активируется липолиз. Окисление жирных кислот приводит к образованию НАДН и ФАДН₂, усилению работы дыхательной цепи и возрастанию протонного градиента.

АТФ-синтазы в мембранах митохондрий бурых адипоцитов мало, зато много термогенина. H⁺ возвращаются в матрикс через термогенин в обход АТФ-синтазы, поэтому значительная часть энергии протонного градиента рассеивается в виде тепла.

Бурая жировая ткань особенно хорошо развита у новорождённых. Отдельные скопления бурых жировых клеток имеются и у взрослых: в верхней части спины, между лопатками, под мышками и по ходу крупных кровеносных сосудов.

В норме около 60% свободной энергии используется для выполнения работы, а около 40% превращается в тепло. При охлаждении частичное разобщение увеличивает долю энергии, расходуемую на поддержание температуры тела.

Коэффициент Р/О

Каждая молекула НАДН или ФАДН₂ передаёт в дыхательную цепь два электрона. Для восстановления одного атома кислорода до воды также требуется одна пара электронов.

При прохождении электронов от НАДН через I, III и IV комплексы переносится больше H⁺, поэтому синтезируется приблизительно 2,5 молекулы АТФ. Электроны от ФАДН₂ входят в цепь на уровне коэнзима Q и обходят I комплекс, поэтому переносится меньше H⁺ и синтезируется около 1,5 молекулы АТФ.

К субстратам, окисляющимся через ФАД-зависимые ферменты, относятся янтарная кислота, активированные жирные кислоты и глицерол-3-фосфат. Для них коэффициент Р/О ниже, чем для субстратов, передающих восстановительные эквиваленты через НАДН.

Нарушения энергетического обмена

Снижение образования и использования энергии приводит к гипоэнергетическим, или гипоэргическим, состояниям. Их причинами могут быть:

• экзогенные и эндогенные гиповитаминозы, особенно недостаток витаминов B₁, B₂, PP, B₆, пантотеновой и аскорбиновой кислот;
• дефицит пищевого белка, вызывающий снижение синтеза ферментов;
• недостаточное поступление углеводов и липидов как основных источников энергии;
• дефицит кислорода;
• дефицит железа — компонента цитохромов, миоглобина и гемоглобина — и меди, входящей в цитохромоксидазу;
• повреждение митохондрий;
• разобщение окислительного фосфорилирования под действием токсинов.

Особую группу составляют митохондриальные болезни, связанные с мутациями митохондриальной или ядерной ДНК и нарушением работы ферментов энергетического обмена.

Гипоксические состояния

Гемическая гипоксия может быть гемолитической или железодефицитной, а также возникать при образовании форм гемоглобина, неспособных переносить кислород. К ним относятся карбоксигемоглобин, образующийся при связывании гемоглобина с угарным газом, и метгемоглобин, возникающий при действии сильных окислителей, в частности нитратов.

При недостатке кислорода отсутствует конечный акцептор электронов. Дыхательные ферменты остаются в восстановленном состоянии, в клетке накапливаются НАДН и ФАДН₂, прекращаются перенос электронов и окислительное фосфорилирование. Снижается образование АТФ и тормозятся аэробные пути катаболизма.

Специфические и общие пути катаболизма

Большая часть высвобождённой энергии рассеивается в виде тепла. Меньшая часть этой энергии «перехватывается» коферментами окислительных реакций НАД и ФАД, некоторая часть сразу используется для синтеза АТФ.

Катаболизм основных органических веществ протекает в несколько этапов.

Таким образом, специфические пути катаболизма различаются для белков, липидов и углеводов, но сходятся на небольшом числе общих метаболитов. К общим путям относятся окислительное декарбоксилирование пирувата, цикл трикарбоновых кислот, дыхательная цепь и окислительное фосфорилирование.

Пировиноградная кислота: пути образования

Пировиноградная кислота — ПВК, или пируват — является продуктом окисления глюкозы и некоторых аминокислот.

• Гликолиз: глюкоза окисляется до двух молекул пировиноградной кислоты.
• Окисление лактата: лактатдегидрогеназа тканей с аэробным обменом превращает молочную кислоту в пируват.
• Превращение аланина: аланин в реакции трансаминирования образует пировиноградную кислоту.
• Превращение серина: серин под действием сериндегидратазы теряет аминогруппу и превращается в пируват.

Пути использования пирувата

Судьба пирувата зависит от доступности кислорода и метаболических потребностей клетки.

В головном мозге доля пирувата, поступающая на пируватдегидрогеназу, составляет 80–90%, тогда как в печени — 15–20%. В печени пируват в основном используется для синтеза оксалоацетата.

Ацетил-КоА: пути образования и использования

Ацетил-КоА образуется при катаболизме всех основных классов пищевых веществ:

• из глюкозы через образование пирувата и его окислительное декарбоксилирование;
• при β-окислении жирных кислот;
• при катаболизме углеродных скелетов аминокислот.

Основные пути использования ацетил-КоА:

• окисление ацетильной группы в цикле трикарбоновых кислот до CO₂ с образованием НАДН, ФАДН₂ и ГТФ;
• синтез жирных кислот;
• синтез холестерина;
• синтез кетоновых тел в печени при накоплении ацетил-КоА и недостатке оксалоацетата.

Пируват и ацетил-КоА являются центральными метаболитами, через которые осуществляется взаимосвязь обмена углеводов, липидов и аминокислот. Наличие оксалоацетата вовлекает ацетил-КоА в ЦТК; при снижении количества оксалоацетата в печени активируется резервный путь утилизации ацетильной группы — синтез кетоновых тел.

Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты

Если в процессе катаболизма белков, жиров и углеводов образуется ПВК, для дальнейшего окисления необходим её переход в ацетил-КоА. Этот процесс называется окислительным декарбоксилированием пировиноградной кислоты. Он включает окисление пирувата и образование CO₂ при разрушении карбоксильной группы.

В аэробных условиях пируват окислительно декарбоксилируется до уксусной кислоты, переносчиком которой служит коэнзим A. Суммарное уравнение отражает декарбоксилирование пирувата, восстановление НАД⁺ до НАДН и образование ацетил-КоА:

Окислительное декарбоксилирование пирувата протекает в митохондриях. Пируватдегидрогеназный комплекс прикреплён к внутренней митохондриальной мембране со стороны матрикса.

Биологическое значение процесса заключается в том, что он является важным этапом катаболизма и позволяет включаться в цикл трикарбоновых кислот тем веществам, при распаде которых образуется пируват. Одновременно образуется НАДН, который передаёт восстановительные эквиваленты в дыхательную цепь.

Состав пируватдегидрогеназного комплекса

Пируватдегидрогеназный комплекс имеет молекулярную массу около 6 × 10⁶ Да. Превращение пирувата состоит из пяти последовательных реакций. В составе комплекса находятся три фермента и пять коферментов.

Тиаминдифосфат, липоевая кислота и ФАД прочно связаны с соответствующими ферментами. Коэнзим A и НАД⁺ находятся в свободном состоянии и присоединяются к комплексу во время реакции.

Последовательность реакций комплекса

В первой реакции E₁ при участии ТДФ декарбоксилирует пируват. Образуется гидроксиэтильный остаток, связанный с ТДФ, и выделяется CO₂.

Во второй реакции гидроксиэтильный остаток окисляется до ацетильного и переносится на липоевую кислоту, связанную с E₂.

В третьей реакции E₂ переносит ацетильную группу на HS-КоА. Образуются ацетил-КоА и восстановленная липоевая кислота.

Оставшиеся две реакции необходимы для возвращения липоевой кислоты и ФАД в окисленное состояние. В четвёртой реакции E₃ окисляет восстановленную липоевую кислоту, а связанный с ферментом ФАД восстанавливается до ФАДН₂. В пятой реакции водород переносится с ФАДН₂ на НАД⁺ с образованием НАДН + H⁺.

Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса

В составе комплекса находятся два вспомогательных фермента — киназа и фосфатаза, регулирующие активность пируватдегидрогеназы E₁ путём фосфорилирования и дефосфорилирования.

• Киназа активируется при избытке АТФ и продуктов реакции — НАДН и ацетил-КоА. Она фосфорилирует пируватдегидрогеназу и переводит её в неактивное состояние.
• Фосфатаза активируется ионами Ca²⁺ или инсулином, отщепляет фосфат и активирует пируватдегидрогеназу.

В состоянии покоя при достаточном количестве АТФ пируватдегидрогеназа неактивна. При работе клетки уровень АТФ и НАДН снижается, киназная реакция прекращается, и в результате дефосфорилирования фермент активируется.

Витамин B₁ — тиамин

Витамин B₁ — тиамин, антиневритный витамин. Его источники: чёрный хлеб, злаки, горох, фасоль, мясо и дрожжи. Суточная потребность составляет 2,0–3,0 мг.

В составе тиамина находится пиримидиновое кольцо, соединённое с тиазоловым кольцом. Коферментной формой витамина является тиаминдифосфат.

Тиамин всасывается в тонком кишечнике в свободном виде и фосфорилируется непосредственно в клетке-мишени. Примерно 50% всего витамина B₁ находится в мышцах, около 40% — в печени.

Тиаминдифосфат является коферментом:

• транскетолазы второго этапа пентозофосфатного пути;
• пируватдегидрогеназы;
• α-кетоглутаратдегидрогеназы.

Пируватдегидрогеназа и α-кетоглутаратдегидрогеназа участвуют в энергетическом обмене. Поэтому недостаток тиамина особенно сильно отражается на тканях с высокой потребностью в аэробном образовании АТФ.

Авитаминоз B₁

Причиной недостаточности может быть дефицит витамина в пище, а также избыток алкогольсодержащих напитков или углеводных продуктов, повышающих потребность в тиамине.

Со стороны нервной системы:

• полиневриты — снижение периферической чувствительности, утрата некоторых рефлексов, боли по ходу нервов;
• синдром Вернике — спутанность сознания, нарушение координации, галлюцинации, нарушения зрения;
• синдром Корсакова — ретроградная амнезия, неспособность усваивать новую информацию, болтливость.

Со стороны сердечно-сосудистой системы: нарушение сердечного ритма, боли в сердце и увеличение его размеров.

Со стороны желудочно-кишечного тракта: нарушение секреторной и моторной функций, атония кишечника и запоры, исчезновение аппетита, снижение кислотности желудочного сока.

В кишечнике имеется бактериальная тиаминаза, разрушающая тиамин. Этот фермент также активен в сырой рыбе и устрицах. Высокая чувствительность нервной ткани к дефициту тиамина связана с тем, что в головном мозге 80–90% пирувата используется пируватдегидрогеназным комплексом.

Пантотеновая кислота

Пантотеновая кислота — витамин B₅. Она содержится в любых пищевых продуктах, особенно в бобовых, дрожжах и продуктах животного происхождения. Суточная потребность составляет 10–15 мг.

В составе пантотеновой кислоты находятся β-аланин и пантоевая кислота. Её коферментными формами являются кофермент A — коэнзим A, HS-КоА — и 4-фосфопантетеин.

Коэнзим A не связан прочно с каким-либо ферментом. Его функция — перенос ацильных, в том числе ацетильных, групп:

• в реакциях энергетического окисления глюкозы, жирных кислот и радикалов аминокислот;
• в работе пируватдегидрогеназы, α-кетоглутаратдегидрогеназы и ферментов β-окисления жирных кислот;
• в реакциях синтеза жирных кислот, триацилглицеролов и фосфолипидов;
• в синтезе ацетилхолина, гликозаминогликанов, гиппуровой и желчных кислот.

Пищевая недостаточность пантотеновой кислоты встречается очень редко, поскольку витамин присутствует во всех продуктах. Гиповитаминоз может проявляться педиолалгией — жжением в стопах, поражением кожи и желудочно-кишечного тракта, нарушениями нервной системы, мышечной слабостью и судорогами.

Общая характеристика цитратного цикла

Образующийся в пируватдегидрогеназной реакции ацетил-КоА далее вступает в цикл трикарбоновых кислот — ЦТК, цикл лимонной кислоты, или цикл Кребса.

Цикл Кребса протекает в митохондриях и включает восемь реакций. Он представляет собой последовательные реакции связывания ацетила и щавелевоуксусной кислоты — оксалоацетата — с образованием лимонной кислоты, её изомеризации и последующего окисления с выделением CO₂. После восьми реакций цикла вновь образуется оксалоацетат.

В первой реакции связываются ацетил-КоА и оксалоацетат с образованием цитрата. Далее лимонная кислота изомеризуется до изоцитрата, следуют две реакции дегидрирования с выделением CO₂ и восстановлением НАД⁺. В сукцинил-КоА-синтетазной реакции образуется ГТФ. Последние три превращения представляют собой дегидрирование, гидратацию и новое дегидрирование субстратов.

Последовательность реакций

Результаты одного оборота цикла

При окислении одной ацетильной группы в цикле образуются:

Оксалоацетат после восьми реакций вновь образуется и может связывать следующую ацетильную группу.

Связь с дыхательной цепью

Энергетическая функция ЦТК заключается в синтезе одной молекулы ГТФ и в генерации атомов водорода для работы дыхательной цепи — трёх молекул НАДН и одной молекулы ФАДН₂.

НАДН передаёт электроны на I комплекс дыхательной цепи. При окислении одной молекулы НАДН образуется 2,5 молекулы АТФ. Три молекулы НАДН, образовавшиеся в ЦТК, обеспечивают образование 7,5 молекулы АТФ.

Сукцинатдегидрогеназа расположена во внутренней мембране митохондрий и относится к ФАД-зависимым ферментам II комплекса. Она передаёт электроны от ФАДН₂ через железосерные белки на коэнзим Q. При окислении ФАДН₂ образуется 1,5 молекулы АТФ.

Таким образом, при окислении трёх НАДН и одного ФАДН₂ в дыхательной цепи образуется 9 молекул АТФ. С учётом одной молекулы ГТФ при окислении одной ацетильной группы в ЦТК образуется 10 молекул АТФ.

При отсутствии кислорода реакции окислительного фосфорилирования не идут. Накапливающийся НАДН тормозит цикл трикарбоновых кислот, поэтому работа ЦТК связана с окислением восстановленных коферментов в дыхательной цепи.

Регуляция: доступность оксалоацетата

Главным регулятором ЦТК является оксалоацетат, точнее его доступность. Наличие оксалоацетата вовлекает в цикл ацетил-КоА и запускает процесс.

В клетке обычно существует баланс между образованием ацетил-КоА из глюкозы, жирных кислот или аминокислот и количеством оксалоацетата.

Источниками оксалоацетата являются:

• синтез из пирувата — анаплеротическая, или пополняющая, реакция;
• поступление из фруктовых кислот самого ЦТК, в том числе яблочной и лимонной кислот;
• образование из аспарагиновой кислоты.

Регуляция ферментов цикла

Ключевыми регулируемыми ферментами являются цитратсинтаза, изоцитратдегидрогеназа и α-кетоглутаратдегидрогеназа.

Высокая концентрация АТФ и НАДН тормозит реакции цикла. АДФ и окисленный НАД активируют ключевые ферменты ЦТК.

Недостаток оксалоацетата и образование кетоновых тел

При декомпенсации сахарного диабета I типа и при голодании в печени активируется глюконеогенез — образование глюкозы из оксалоацетата и других метаболитов. Это приводит к снижению количества оксалоацетата.

Одновременная активация окисления жирных кислот и накопление ацетил-КоА запускают резервный путь утилизации ацетильной группы — синтез кетоновых тел. В организме развивается кетоацидоз, для которого характерны слабость, головная боль, сонливость, снижение мышечного тонуса, температуры тела и артериального давления.

Анаболическая роль

Промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот используются в реакциях синтеза:

Таким образом, ЦТК выполняет энергетическую и анаболическую функции. Поскольку доступность оксалоацетата является главным регулятором цикла, его количество пополняется при синтезе из пирувата и образовании из аспарагиновой кислоты.

Общая характеристика и содержание углеводов в организме

Термин «углеводы» связан с тем, что большинство веществ этого класса соответствуют формуле C_n(H₂O)_m.

Содержание углеводов в организме человека в среднем составляет около 2%. Наиболее высоко содержание углеводов в печени и соединительной ткани.

Общебиологические функции углеводов

Классификация углеводов

По способности к гидролизу углеводы делятся на три группы:

• моносахариды — углеводы, которые не могут быть гидролизованы до более простых форм углеводов;
• олигосахариды — соединения, включающие небольшое число остатков моносахаридов; к ним относятся дисахариды, трисахариды и другие соединения;
• полисахариды — гомополисахариды, состоящие из одинаковых моносахаров, и гетерополисахариды, состоящие из разных моносахаров и их производных.

Моносахариды и их производные

По химической природе моносахариды являются альдегидо- или кетоспиртами. В зависимости от присутствия альдегидной или кетоновой группы они делятся на альдозы и кетозы, а в зависимости от числа атомов углерода — на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы и другие группы.

Наиболее распространёнными в организме пентозами являются рибоза, дезоксирибоза, рибулоза и ксилулоза. Гексозы организма в основном представлены глюкозой, фруктозой, галактозой и маннозой.

Основными производными моносахаридов в тканях человека являются аминосахара, ацетиламиносахара, гексуроновые кислоты и гликозиды.

Олигосахариды

Олигосахариды представлены дисахаридами и смешанными олигосахаридами. Дисахариды — углеводы, которые при гидролизе дают две одинаковые или разные молекулы моносахарида.

• Мальтоза состоит из двух остатков глюкозы и является промежуточным продуктом гидролиза крахмала и гликогена.
• Сахароза состоит из остатков глюкозы и фруктозы, соединённых α-1,2-гликозидной связью.
• Лактоза состоит из галактозы и глюкозы, соединённых β-1,4-гликозидной связью. Это специфический дисахарид молока; в грудном молоке её содержится около 6,5%, или 65 г/л.

Смешанные олигосахариды представлены несколькими углеводами, соединёнными гликозидными связями. Чаще всего в их составе содержатся манноза, фруктоза, нейраминовая кислота и галактоза. Олигосахариды в комплексе с белками определяют групповую специфичность крови, входят в состав иммуноглобулинов и клеточных рецепторов, участвуют в межклеточных взаимодействиях.

В грудном молоке присутствует большое количество специфических олигосахаридов: фукозилактоза, лакто-N-тетраоза, бифидус-фактор и другие соединения.

Гликоген

Гликоген — резервный полисахарид животных. Он находится в цитоплазме многих типов клеток, но в наибольшем количестве содержится в печени — около 5% — и мышцах — около 2%.

Гликоген состоит из цепей циклических форм глюкозы, соединённых α-1,4-гликозидными связями. Ветвление происходит за счёт α-1,6-гликозидных связей через каждые 8–10 остатков глюкозы. Длина ветвей составляет 11–18 остатков. Благодаря высокой разветвлённости гликоген компактно уложен в клетке.

Молекулярная масса гликогена достигает 10⁷–10⁹ Да. Гликоген является резервным энергетическим материалом, который не связывает воду и легко может превращаться в глюкозу.

Гликозаминогликаны: химический состав и структура

Гликозаминогликаны — линейные неразветвлённые гетерополисахариды, построенные из повторяющихся дисахаридных фрагментов. Дисахаридный фрагмент включает гексуроновую кислоту и аминосахар — обычно N-ацетилгексозамин или его сульфат.

Дублируясь, дисахаридные фрагменты образуют олиго- и полисахаридные цепи — гликаны. Гликозаминогликаны имеют много кислотных групп, обладают отрицательным зарядом и выраженной гидрофильностью.

Протеогликаны

Гликозаминогликаны чаще всего находятся в тканях не в свободном состоянии, а в составе протеогликанов. Протеогликаны — белково-углеводные комплексы, в которых белки составляют менее 5%, а углеводная часть представлена гликозаминогликанами.

В хрящевой ткани протеогликаны образуют протеогликановые агрегаты. Наиболее распространённым среди них является агрекан. Его молекулярная масса достигает 1 миллиарда Да. Наряду с большими агрегатами в соединительной ткани присутствуют малые протеогликаны, например бигликаны, включающие одну полипептидную цепь и две-три углеводные цепи.

Протеогликаны заполняют межклеточное пространство и удерживают в нём воду, являются смазочным и структурным компонентом суставов, хрящей и кожи.

Особенности гликозаминогликанов и протеогликанов у детей

• Повышено содержание протеогликанов, что обусловливает физиологическую гипергидратацию новорождённых.
• Иное распределение гликозаминогликанов: преобладает гиалуроновая кислота по сравнению с хондроитинсульфатами и кератансульфатами.
• Обмен гликозаминогликанов протекает более активно.
• Относительно высоко выделение гликозаминогликанов с мочой.

Потребность в углеводах у детей

Для взрослого человека суточная потребность в углеводах составляет 400–600 г. Для детей потребность в углеводах составляет 12–14 г на 1 кг массы тела.

Содержание углеводов в женском молоке составляет 68–74 г/л. Около 85% всех углеводов приходится на лактозу; присутствуют также галактоза, фруктоза и смешанные олигосахариды.

Лактоза обеспечивает около 40% энергетических потребностей грудного ребёнка, способствует всасыванию кальция, железа, магния и марганца и является источником галактозы для синтеза гликолипидов и гликопротеидов.

Олигосахариды женского молока обеспечивают организм ребёнка производными моносахаров, поддерживают рост молочной и бифидофлоры в кишечнике и препятствуют прикреплению патогенных микроорганизмов к клеткам слизистой оболочки.

Роль углеводов в питании человека

Основными пищевыми углеводами являются крахмал и дисахариды. Кроме них, с пищей поступают гликоген, целлюлоза, сахароза, лактоза, мальтоза, глюкоза, фруктоза и рибоза. Суточная потребность взрослого человека в углеводах составляет 400–600 г, детей — около 12 г на 1 кг массы тела. Пищевых волокон в рационе взрослого должно быть не менее 30–40 г в сутки.

Пищевые углеводы служат основным источником энергии и материалом для образования гликогена, липидов, аминокислот и производных моносахаридов. Целлюлоза ферментами человека не переваривается, однако стимулирует перистальтику кишечника, участвует в формировании каловых масс и стимуляции желчеотделения, адсорбирует холестерол и другие вещества, препятствуя их всасыванию. В толстом кишечнике часть целлюлозы гидролизуется ферментами микрофлоры; образующиеся органические кислоты также стимулируют перистальтику.

Переваривание углеводов

В ротовой полости происходит частичное расщепление крахмала и гликогена под действием кальцийсодержащей α-амилазы слюны. Её оптимум pH равен 7,1–7,2, фермент активируется ионами Cl⁻. α-Амилаза расщепляет внутренние α-1,4-гликозидные связи с образованием разветвлённых и неразветвлённых декстринов и небольшого количества мальтозы; другие типы связей она не расщепляет.

В желудке ферменты переваривания углеводов отсутствуют. Кислая среда инактивирует амилазу, поэтому некоторое время гидролиз продолжается только внутри пищевого комка.

В тонком кишечнике полостное пищеварение обеспечивает панкреатическая α-амилаза, разрывающая внутренние α-1,4-гликозидные связи крахмала, гликогена и декстринов до точек ветвления. α-1,6-Гликозидные связи в точках ветвления расщепляет изомальтаза.

Пристеночное пищеварение осуществляют ферменты слизистой оболочки тонкого кишечника:

• мальтаза расщепляет α-1,4-гликозидные связи мальтозы;
• изомальтаза расщепляет α-1,6-гликозидные связи;
• сахараза расщепляет α-1,2-β-гликозидную связь сахарозы;
• лактаза расщепляет β-1,4-гликозидную связь между галактозой и глюкозой в лактозе;
• гетерогалактозидаза расщепляет гликозидные связи смешанных олигосахаридов;
• β-галактозидаза имеет оптимум pH около 5;
• гликоамилазный комплекс нижних отделов тонкого кишечника расщепляет α-1,4-гликозидные связи в олигосахаридах с восстанавливающего конца.

Конечными продуктами переваривания полисахаридов и дисахаридов являются моносахариды.

Особенности переваривания углеводов у детей

• Активность амилазы слюны снижена до четырёхлетнего возраста.
• Активность α-амилазы поджелудочной железы у новорождённых низкая; к концу первого года жизни она возрастает примерно в 25 раз, к периоду половой зрелости — примерно в 50 раз.
• Из-за недостаточной кислотности желудка слюнная α-амилаза у детей первого года жизни может достигать тонкого кишечника и продолжать переваривание полисахаридов.
• Преобладает пристеночное переваривание углеводов в тонком кишечнике.
• Активность лактазы высока уже до рождения и сохраняется на высоком уровне до 5–7 лет; активность сахаразы постепенно повышается с введением прикорма.

Лактоза женского молока не полностью гидролизуется в тонком кишечнике. Часть её достигает нижних отделов тонкого и толстого кишечника и способствует развитию оптимальной микрофлоры.

Всасывание моносахаридов

При высокой концентрации моносахаридов в кишечнике возможен пассивный транспорт. Основным механизмом всасывания глюкозы является вторичный активный транспорт, сопряжённый с переносом Na⁺.

Na⁺,K⁺-АТФаза базолатеральной мембраны энтероцита, затрачивая энергию АТФ, выкачивает Na⁺ из клетки в обмен на K⁺ и создаёт градиент концентрации натрия. На апикальной мембране Na⁺ сначала связывается со специфическим белком-переносчиком и вызывает его конформационную перестройку; после этого к переносчику присоединяется моносахарид. В цитоплазме Na⁺ и моносахарид отделяются от белка. Выход глюкозы через базолатеральную мембрану в межклеточное пространство и кровь происходит путём облегчённой диффузии.

У детей углеводы, особенно глюкоза и галактоза, всасываются быстрее; могут всасываться также декстрины и дисахариды. По системе воротной вены всосавшиеся моносахариды поступают в печень, где примерно половина всосавшихся углеводов депонируется в виде гликогена. Остальная часть поступает в головной мозг, мышцы и другие ткани.

Транспорт глюкозы из крови в клетки

Из крови в клетки глюкоза поступает путём облегчённой диффузии по градиенту концентрации с участием мембранных белков-переносчиков — глюкозных транспортёров ГЛЮТ.

Большинство клеток занимает промежуточное положение: на их мембранах присутствуют разные типы транспортёров глюкозы.

Пути утилизации глюкозы в тканях

Фонд глюкозы в клетках пополняется за счёт поступления из крови, распада внутриклеточного гликогена, а в печени и почках — также за счёт глюконеогенеза. Попав в клетку, глюкоза немедленно фосфорилируется гексокиназой с образованием глюкозо-6-фосфата. Отрицательно заряженный фосфатный эфир не может выйти через мембрану, поэтому гексокиназу называют «ловушкой для глюкозы». Снижение концентрации свободной глюкозы в клетке поддерживает поступление новых молекул из крови.

Глюкозо-6-фосфат используется по нескольким направлениям:

• окисление в реакциях катаболизма с образованием АТФ;
• запасание в виде гликогена;
• синтез триацилглицеролов в печени и жировой ткани и синтез холестерола в печени;
• пентозофосфатный путь с образованием рибозо-5-фосфата и НАДФН;
• синтез гликозаминов и далее структурных и других гетерополисахаридов;
• синтез некоторых аминокислот и других производных глюкозы.

Глюкозо-6-фосфатаза, превращающая глюкозо-6-фосфат в свободную глюкозу, имеется только в печени и почках. В печени она необходима для поддержания концентрации глюкозы крови при голодании и мышечной нагрузке.

Утилизация фруктозы

Фруктоза поступает в организм преимущественно с мёдом, фруктами и сахарозой. Реакции её превращения наиболее активно протекают в печени.

В печени фруктокиназа, или кетогексокиназа, с затратой АТФ фосфорилирует фруктозу по первому атому углерода с образованием фруктозо-1-фосфата. Фруктозо-1-фосфат-альдолаза расщепляет его на глицеральдегид и дигидроксиацетонфосфат. Глицеральдегид фосфорилируется триозокиназой. Образующиеся триозофосфаты либо вступают в гликолиз, либо объединяются во фруктозо-1,6-бисфосфат и далее превращаются во фруктозо-6-фосфат, глюкозо-6-фосфат и свободную глюкозу.

При использовании триозофосфатов в гликолизе фруктоза служит в печени энергетическим субстратом или источником для синтеза жиров. Фруктокиназа инсулиннезависима. Метаболизм фруктозы обходит лимитирующую реакцию, катализируемую фосфофруктокиназой, поэтому образование пирувата и ацетил-КоА из фруктозы может протекать быстрее, чем из глюкозы, и приводить к усиленному синтезу жирных кислот и триацилглицеролов.

В мышцах фруктокиназа отсутствует. Гексокиназа фосфорилирует фруктозу по шестому атому углерода с образованием фруктозо-6-фосфата, который поступает в гликолиз или используется для синтеза гликогена. Сродство гексокиназы к фруктозе значительно ниже, чем к глюкозе.

Нарушения утилизации фруктозы

Утилизация галактозы

Галактоза поступает в организм в составе молочных продуктов. В эпителии кишечника и гепатоцитах галактокиназа с затратой АТФ фосфорилирует её по первому атому углерода. Затем галактозо-1-фосфат взаимодействует с УДФ-глюкозой под действием галактозо-1-фосфат-уридилтрансферазы с образованием УДФ-галактозы и глюкозо-1-фосфата. УДФ-галактоза эпимеризуется в УДФ-глюкозу, а глюкозо-1-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат и далее используется в обмене или превращается в свободную глюкозу.

Галактоземия

Наследственные нарушения обмена галактозы вызываются дефектами галактозо-1-фосфат-уридилтрансферазы, галактокиназы или УДФ-галактозо-4-эпимеразы. Наиболее часто встречается дефект галактозо-1-фосфат-уридилтрансферазы.

В крови повышается концентрация галактозы до 11,1–16,6 ммоль/л при норме 0,3–0,5 ммоль/л и появляется галактозо-1-фосфат. Лабораторными признаками также служат билирубинемия, галактозурия, протеинурия, гипераминоацидурия и накопление гликозилированного гемоглобина; дети отказываются от еды.

Избыток галактозы превращается в галактитол, который накапливается в хрусталике, осмотически притягивает воду, изменяет солевой состав и конформацию белков хрусталика, вызывая катаракту. При дефекте уридилтрансферазы АТФ постоянно расходуется на фосфорилирование галактозы. Дефицит энергии и накопление галактозо-1-фосфата особенно повреждают нейроны, гепатоциты и нефроциты. Возможны задержка психомоторного развития, умственная отсталость, некроз гепатоцитов и цирроз печени; в почках и кишечнике нарушается всасывание аминокислот.

Лечение заключается в исключении молока и других источников галактозы. Сохранность интеллекта возможна при ранней диагностике и начале лечения не позднее первых двух месяцев жизни.

Утилизация маннозы и взаимопревращение гексоз

В кишечнике всасываются фруктоза, галактоза, манноза и другие моносахариды. Для дальнейшего использования они превращаются в глюкозу; реакции взаимопревращения сахаров протекают в эпителии кишечника и гепатоцитах. Благодаря этому организм использует один основной субстрат углеводного обмена — D-глюкозу — и не создаёт отдельный набор всех метаболических путей для каждого пищевого сахара.

Взаимопревращения гексоз происходят только в активной форме. Используются две активные формы: гексозо-6-фосфаты и УДФ-гексозы. Гексозо-6-фосфаты превращаются друг в друга при участии изомераз, а УДФ-гексозы — при участии эпимераз и уридилтрансфераз. Таким путём манноза включается в общий обмен гексоз и после превращения в производные глюкозы может использоваться для получения энергии и синтеза гликогена.

Микробиологический статус кишечника грудного ребёнка. Бифидус-фактор

У грудного ребёнка отсутствует гнилостная микрофлора и преобладает бродильная микрофлора: кишечная палочка, ацидофильная флора и бифидофлора. Субстратами для неё служат лактоза и специфические смешанные олигосахариды женского молока.

Бифидус-фактор относится к специфическим смешанным олигосахаридам грудного молока наряду с фукозилактозой и лакто-N-тетраозой. Он поддерживает рост бифидофлоры кишечника ребёнка. Олигосахариды молока также обеспечивают ребёнка производными моносахаридов, синтез которых в тканях затруднён, и препятствуют адгезии патогенных микроорганизмов к клеткам слизистой оболочки кишечника.

Бифидофлора — анаэробная флора, образующая из лактозы и смешанных олигосахаридов молочную и уксусную кислоты. Эти короткоцепочечные кислоты снижают pH кишечника, оказывают антибактериальное действие и связывают некоторые токсические амины. Бифидофлора синтезирует ряд витаминов группы B и ферменты, в том числе лизоцим и казеинфосфатазы; активирует дисахаридазы кишечника младенца, защищает от дефицита цинка, стимулирует пролиферацию энтероцитов и оказывает иммуномодулирующий эффект.

Взаимные превращения моносахаридов: сущность и значение

В кишечнике всасываются все поступающие с пищей моносахариды: глюкоза, фруктоза, галактоза, манноза и другие. Для дальнейшего использования полученные гексозы превращаются в глюкозу. Этот процесс получил название взаимопревращение сахаров.

Цель взаимопревращения — создание одного основного субстрата для реакций метаболизма, D-глюкозы. Это позволяет не образовывать отдельный полный набор ферментов для каждого вида сахара. Реакции взаимопревращения протекают главным образом в эпителии кишечника и гепатоцитах. Из глюкозы, в свою очередь, возможен синтез её производных и других необходимых тканям гексоз.

Взаимопревращения моносахаридов возможны только в их активной форме. Используются две основные формы:

Превращения гексозо-6-фосфатов и образование аминосахаров

Альдогексозы и кетогексозы взаимопревращаются при участии изомераз. Так, глюкозо-6-фосфат обратимо превращается во фруктозо-6-фосфат.

Аминосахара синтезируются из гексозо-6-фосфатов при участии амидотрансфераз. Фруктозо-6-фосфат взаимодействует с глутамином; амидный азот глутамина переносится на углевод с образованием глюкозамин-6-фосфата и глутамата:

Фруктозо-6-фосфат + глутамин → глюкозамин-6-фосфат + глутамат

Глюкозамин-6-фосфат является предшественником других аминосахаров. Аминосахара и их ацетилированные производные входят в состав дисахаридных фрагментов гликозаминогликанов, а также гликопротеинов и гликолипидов.

Взаимопревращение глюкозы и фруктозы

Фруктоза активируется посредством фосфорилирования: по шестому атому углерода при участии гексокиназы либо по первому атому углерода при участии фруктокиназы. Фруктозо-6-фосфат изомеризуется в глюкозо-6-фосфат; после дефосфорилирования может образоваться свободная глюкоза.

Фруктозо-1-фосфат при участии альдолазы расщепляется на глицеральдегид и дигидроксиацетонфосфат. Глицеральдегид фосфорилируется триозокиназой. Полученные триозофосфаты могут объединяться во фруктозо-1,6-бисфосфат, который последовательно превращается во фруктозо-6-фосфат, глюкозо-6-фосфат и свободную глюкозу.

Обратное превращение глюкозы во фруктозу происходит в полиоловом пути. Альдозоредуктаза восстанавливает глюкозу до сорбитола, который далее превращается во фруктозу. Обычно в полиоловый путь включается не более 1% глюкозы. Особое значение он имеет в семенных пузырьках: образующаяся фруктоза поступает в семенную жидкость и используется сперматозоидами как энергетический субстрат.

Превращение галактозы в глюкозу

Галактоза сначала фосфорилируется по первому атому углерода с образованием галактозо-1-фосфата. Затем при участии галактозо-1-фосфат-уридилтрансферазы происходит перенос УДФ между УДФ-глюкозой и галактозо-1-фосфатом:

Галактозо-1-фосфат + УДФ-глюкоза → УДФ-галактоза + глюкозо-1-фосфат

УДФ-галактоза эпимеризуется в УДФ-глюкозу. Образовавшийся глюкозо-1-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат и далее может использоваться в обмене или переходить в свободную глюкозу. Таким образом, УДФ-глюкоза одновременно участвует в превращении галактозы и обеспечивает образование активированной УДФ-галактозы.

Образование УДФ-глюкозы

Сначала глюкоза фосфорилируется гексокиназой или глюкокиназой с затратой АТФ. Фосфоглюкомутаза переносит фосфат из шестого положения в первое. Затем глюкозо-1-фосфат взаимодействует с УТФ, в результате чего образуется активная форма глюкозы — УДФ-глюкоза:

Глюкоза + АТФ → глюкозо-6-фосфат + АДФ

Глюкозо-6-фосфат ⇄ глюкозо-1-фосфат

УТФ + глюкозо-1-фосфат → УДФ-глюкоза + пирофосфат

Роль УДФ-глюкозы и других УДФ-гексоз

УДФ-глюкоза — активированная форма глюкозы. Связь с уридиндифосфатом обеспечивает перенос углеводного остатка в реакциях, катализируемых гликозилтрансферазами и уридилтрансферазами.

Образование и значение глюкуроновой кислоты

Глюкуроновая кислота образуется при окислении УДФ-глюкозы под действием дегидрогеназы:

УДФ-глюкоза → УДФ-глюкуроновая кислота

УДФ-глюкуроновая кислота является активной формой глюкуроновой кислоты. Она используется при синтезе гликозаминогликанов. Углеводный компонент протеогликанов включает ацетиламиносахара и уроновые кислоты; исходным веществом для их образования служит глюкоза:

Глюкоза → УДФ-глюкоза → УДФ-глюкуроновая кислота

Аминосахар + УДФ-глюкуроновая кислота + ФАФС → гликозаминогликан

Кроме того, УДФ-глюкуроновая кислота участвует в реакциях конъюгации. Присоединение глюкуроновой кислоты маскирует токсичные группы веществ, повышает их гидрофильность и облегчает выведение. Так образуются, в частности, глюкурониды билирубина.

Образование лактозы

Для синтеза лактозы используется активированная галактоза. УДФ-галактоза отдаёт галактозный остаток молекуле глюкозы; реакцию катализирует гликозилтрансфераза:

УДФ-галактоза + глюкоза → лактоза + УДФ

Лактоза — специфический дисахарид молока, состоящий из галактозы и глюкозы. В грудном молоке её содержится около 6,5%, или 65 г/л. Она обеспечивает значительную часть энергетических потребностей грудного ребёнка и служит источником галактозы для синтеза гликолипидов и гликопротеинов.

Образование других олигосахаридов и полисахаридов

Синтез олигосахаридов и полисахаридов протекает при участии гликозилтрансфераз. Эти ферменты переносят остатки активированных моносахаридов с УДФ-гексоз на растущую углеводную цепь или на другое соединение.

Смешанные олигосахариды содержат маннозу, фруктозу, галактозу, нейраминовую кислоту и другие моносахариды. В комплексе с белками они определяют групповую специфичность крови, входят в состав иммуноглобулинов и клеточных рецепторов и участвуют в межклеточных взаимодействиях.

В грудном молоке присутствуют специфические олигосахариды: фукозилактоза, лакто-N-тетраоза, бифидус-фактор и другие соединения. Их синтез, как и образование углеводных компонентов гликопротеинов, гликолипидов и протеогликанов, требует активированных моносахаридов и соответствующих гликозилтрансфераз.

Гликоген и его значение

Гликоген — краткосрочный резерв углеводов в организме. Наибольшие запасы гликогена имеются в печени и скелетных мышцах, но вообще гликоген способен синтезироваться почти во всех тканях. Резервы гликогена в клетках используются в зависимости от их функциональных особенностей.

В мышцах количество гликогена снижается обычно только во время физической нагрузки — длительной и/или напряжённой. Накопление гликогена здесь отмечается в период восстановления, особенно если восстановление сопровождается приёмом богатой углеводами пищи. Количество гликогена в миоците снижается также во время голодания.

Гликоген печени расщепляется при снижении концентрации глюкозы в крови, прежде всего между приёмами пищи. Через 12–18 часов голодания запасы гликогена в печени полностью истощаются. Накапливается гликоген в печени только после еды, при гипергликемии. Это объясняется особенностями глюкокиназы, которая имеет низкое сродство к глюкозе и может работать при её высоких концентрациях в крови.

Биосинтез гликогена

Биосинтез гликогена наиболее активно происходит в печени в течение первых двух часов после приёма углеводов пищи — в абсорбтивный период. Глюкоза поступает в гепатоциты и другие ткани с помощью переносчиков ГЛЮТ.

Синтез гликогена начинается с образования глюкозо-6-фосфата под действием глюкокиназы в печени или других гексокиназ в остальных тканях. Глюкокиназа обладает низким сродством к глюкозе, поэтому в гепатоцитах глюкоза задерживается только при её высоких концентрациях.

1. Фосфоглюкомутаза превращает глюкозо-6-фосфат в глюкозо-1-фосфат.
2. Глюкозо-1-фосфат-уридилтрансфераза осуществляет ключевую реакцию синтеза — образование УДФ-глюкозы. Необратимость реакции обеспечивается гидролизом образующегося дифосфата.
3. Гликогенсинтаза образует α-1,4-гликозидные связи и удлиняет гликогеновую цепь, присоединяя активированный C1 УДФ-глюкозы к C4-глюкозы на концевом участке гликогена.
4. Амило-α-1,4→α-1,6-гликозилтрансфераза, или гликоген-ветвящий фермент, переносит фрагмент с минимальной длиной в шесть остатков глюкозы на соседнюю цепь с образованием α-1,6-гликозидной связи.

Глюкоза + АТФ → глюкозо-6-фосфат + АДФ

Глюкозо-6-фосфат ⇄ глюкозо-1-фосфат

УТФ + глюкозо-1-фосфат → УДФ-глюкоза + пирофосфат

УДФ-глюкоза + гликоген_n → УДФ + гликоген_n+1

Распад гликогена

Распад гликогена, или гликогенолиз, активируется в постабсорбтивном периоде — при голодании и усиленной физической нагрузке. В печени функционируют два пути распада гликогена: амилолитический и фосфоролитический.

Амилолитический путь заключается в гидролитическом распаде гликогена. Его катализируют α-амилаза, расщепляющая внутренние α-1,4-гликозидные связи, и γ-амилаза, отрывающая концевые остатки глюкозы.

Основным способом распада гликогена является фосфоролитический путь при участии H₃PO₄:

Гликоген_n + H₃PO₄ → гликоген_n−1 + глюкозо-1-фосфат

1. Фосфорилаза гликогена, коферментом которой является пиридоксальфосфат, расщепляет α-1,4-гликозидные связи с образованием глюкозо-1-фосфата. Фермент работает до тех пор, пока до точки ветвления α-1,6 не останется четыре остатка глюкозы.
2. α-1,4→α-1,4-глюкантрансфераза переносит фрагмент из трёх остатков глюкозы на другую цепь с образованием новой α-1,4-гликозидной связи. На прежнем месте остаётся один остаток глюкозы и открытая α-1,6-гликозидная связь.
3. Амило-α-1,6-глюкозидаза, или деветвящий фермент, гидролизует α-1,6-гликозидную связь с высвобождением свободной, нефосфорилированной глюкозы. Образуется цепь без ветвлений, служащая субстратом для фосфорилазы.

Глюкозо-1-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат под действием фосфоглюкомутазы. Уровень глюкозы крови целенаправленно поддерживает только печень, в которой имеется глюкозо-6-фосфатаза, гидролизующая фосфатный эфир глюкозы. Образуемая свободная глюкоза выходит через плазматическую мембрану в кровь. Остальные органы используют гликоген только для собственных нужд.

Регуляция синтеза и распада гликогена

Основные ферменты метаболизма гликогена активны либо в фосфорилированной, либо в дефосфорилированной форме. Присоединение фосфатов к ферментам производят протеинкиназы; источником фосфата является АТФ.

Одновременно инсулин и глюкокортикоиды увеличивают синтез гликогена, увеличивая количество молекул гликогенсинтазы.

Каскадная активация фосфорилазы гликогена

Скорость гликогенолиза лимитируется скоростью работы фосфорилазы гликогена. Её активность изменяется посредством ковалентной модификации, кальций-зависимой активации и аллостерической активации с помощью АМФ.

1. Адреналин или глюкагон взаимодействует со своим рецептором.
2. Активный гормон-рецепторный комплекс воздействует на мембранный G-белок.
3. G-белок активирует аденилатциклазу.
4. Аденилатциклаза превращает АТФ в циклический АМФ — вторичный посредник.
5. цАМФ аллостерически активирует протеинкиназу A.
6. Протеинкиназа A фосфорилирует гликогенсинтазу, активность которой угнетается, и киназу фосфорилазы, которая активируется.
7. Киназа фосфорилазы фосфорилирует фосфорилазу b гликогена, превращая её в активную фосфорилазу a.
8. Активная фосфорилаза a расщепляет α-1,4-гликозидные связи гликогена с образованием глюкозо-1-фосфата.

После воздействия инсулина активируется фосфодиэстераза, которая гидролизует цАМФ и прекращает развитие аденилатциклазного механизма действия глюкагона и адреналина.

Ионы Ca²⁺ и кальмодулин активируют киназу фосфорилазы. Этот путь работает, например, в мышцах при умеренной нагрузке, когда в цитоплазму под влиянием нервных импульсов поступают ионы Ca²⁺. Фосфорилаза b активируется также аллостерически с помощью АМФ при увеличении расхода АТФ и накоплении АДФ и АМФ.

Гликогеновые болезни

Гликогеновые болезни — наследственные заболевания, обусловленные недостаточностью ферментов, отвечающих за метаболизм гликогена. Средняя частота встречаемости составляет 1:40 000.

Синдром гликогеноза возникает в результате дефекта фермента синтеза или мобилизации гликогена, что приводит к накоплению или изменению структуры гликогена в разных тканях, чаще в печени и мышцах. Существует 12 типов гликогенозов. По патогенетическому признаку их делят на печёночные, мышечные и смешанные формы.

Агликогеноз

Агликогенозы — состояния, связанные с отсутствием гликогена. Примером служит наследственный аутосомно-рецессивный дефицит гликогенсинтазы.

Симптомами являются резкая гипогликемия натощак, особенно утром, рвота, судороги и потеря сознания. В результате гипогликемии наблюдаются задержка психомоторного развития и умственная отсталость. При адекватном лечении — частом кормлении — болезнь несмертельна, хотя и опасна.

Обмен гликогена в анте- и перинатальном периоде

В последний месяц внутриутробного развития активируется синтез гликогена, и его содержание достигает 10% массы печени.

В процессе родов происходит усиленный распад гликогена на энергетические цели, и его содержание резко снижается. Синтез гликогена вновь активируется в первые 2–3 месяца после рождения.

Анаэробный распад глюкозы

Основная функция глюкозы — энергетическая: при окислении глюкозы в тканях высвобождается энергия. Глюкоза превращается в пировиноградную кислоту, которая затем либо полностью окисляется в аэробных условиях, либо превращается в молочную кислоту — лактат — в анаэробных условиях.

Путь, по которому глюкоза окисляется до пировиноградной кислоты, называется гликолизом. Анаэробное превращение глюкозы локализуется в цитозоле и включает два этапа из одиннадцати ферментативных реакций.

В анаэробном процессе пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты. Поэтому в микробиологии анаэробный гликолиз называют молочнокислым брожением.

Глюкоза + 2 АДФ + 2 Ф_н → 2 лактата + 2 АТФ + 2 H₂O

Первый этап гликолиза — подготовительный

На первом этапе происходит затрата энергии АТФ, активация глюкозы и образование из неё триозофосфатов.

1. Гексокиназа. Глюкоза превращается в реакционноспособное соединение за счёт фосфорилирования шестого, не включённого в кольцо, атома углерода: глюкоза + АТФ → глюкозо-6-фосфат + АДФ.
2. Фосфоглюкоизомераза. Вторая реакция необходима для выведения ещё одного атома углерода из кольца для его последующего фосфорилирования: глюкозо-6-фосфат ⇄ фруктозо-6-фосфат.
3. Фосфофруктокиназа. Фруктозо-6-фосфат фосфорилируется с образованием почти симметричной молекулы фруктозо-1,6-дифосфата: фруктозо-6-фосфат + АТФ → фруктозо-1,6-дифосфат + АДФ.
4. Альдолаза. Фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется на две фосфорилированные триозы: глицеральдегид-3-фосфат и диоксиацетонфосфат.
5. Триозофосфатизомераза. Глицеральдегид-3-фосфат и диоксиацетонфосфат взаимопревращаются. При активации окисления глюкозы диоксиацетонфосфат превращается в глицеральдегид-3-фосфат, который далее окисляется на втором этапе гликолиза.

Таким образом, на первом этапе гликолиза на активацию глюкозы затрачиваются две молекулы АТФ и образуются две молекулы глицеральдегид-3-фосфата.

Второй этап гликолиза — освобождение энергии

Второй этап представляет собой освобождение энергии, содержащейся в глицеральдегид-3-фосфате, и запасание её в форме АТФ. Все реакции этого этапа протекают дважды на одну молекулу глюкозы.

6. Глицеральдегидфосфатдегидрогеназа. Окисление глицеральдегид-3-фосфата и присоединение фосфорной кислоты приводят к образованию макроэргического соединения 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и НАДН.
7. Фосфоглицераткиназа. Энергия фосфоэфирной связи 1,3-дифосфоглицерата расходуется на образование АТФ. Это первая реакция субстратного фосфорилирования.
8. Фосфоглицератмутаза. 3-Фосфоглицерат изомеризуется в 2-фосфоглицерат.
9. Енолаза. От 2-фосфоглицериновой кислоты отщепляется молекула воды и образуется макроэргическая фосфоэфирная связь в составе фосфоенолпирувата.
10. Пируваткиназа. Макроэргический фосфат переносится с фосфоенолпирувата на АДФ, образуются АТФ и пировиноградная кислота. Это вторая реакция субстратного фосфорилирования.
11. Лактатдегидрогеназа. Пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты: пируват + НАДН + H⁺ ⇄ лактат + НАД⁺.

Гликолитическая оксидоредукция

Последняя реакция бескислородного окисления глюкозы — образование молочной кислоты из пирувата под действием лактатдегидрогеназы. Эта реакция необходима клетке, поскольку НАДН, образующийся в шестой реакции, в отсутствие кислорода не может окисляться в митохондриях.

В анаэробных условиях образуемый в глицеральдегидфосфатдегидрогеназной реакции НАДН используется для восстановления пирувата до лактата. Образовавшийся НАД⁺ возвращается в шестую реакцию. Процесс циклического восстановления и окисления НАД в реакциях анаэробного окисления глюкозы получил название гликолитической оксидоредукции.

Энергетическая эффективность

На первом этапе на молекулу глюкозы расходуются две молекулы АТФ — в гексокиназной и фосфофруктокиназной реакциях.

На втором этапе образуются по две молекулы АТФ на одну молекулу триозы — в фосфоглицераткиназной и пируваткиназной реакциях. Поскольку из одной молекулы глюкозы образуются две триозы, всего синтезируются четыре молекулы АТФ.

Две молекулы АТФ аккумулируют около 20 ккал, что составляет примерно 3% энергии полного окисления глюкозы — 686 ккал.

Биологическое значение анаэробного гликолиза

Несмотря на сравнительно невысокую энергетическую эффективность, анаэробный гликолиз имеет важное биологическое значение: это единственный способ образования энергии в бескислородных условиях.

Для эритроцитов анаэробный распад глюкозы является единственным источником энергии. Клетки скелетной мускулатуры за счёт бескислородного расщепления глюкозы выполняют мощную, быструю и интенсивную работу с предельным напряжением продолжительностью до 60 секунд.

Анаэробное окисление глюкозы усиливается при нарушении работы митохондрий, митохондриальных болезнях, гиповитаминозах B₁, B₂, B₃ и B₅, гипоксии клеток при различных анемиях, нарушении кровообращения в тканях и заболеваниях бронхолёгочной системы.

Эффект Пастера — снижение потребления глюкозы и прекращение продукции молочной кислоты клеткой в присутствии кислорода. Его биохимическая основа заключается в конкуренции между пируватдегидрогеназой, превращающей пируват в ацетил-КоА, и лактатдегидрогеназой, превращающей пируват в лактат.

Дальнейшая судьба молочной кислоты

Лактат является метаболическим тупиком: единственная возможность использовать его — окислить обратно в пируват. При интенсивном поступлении кислорода в аэробных условиях молочная кислота превращается в пируват и через ацетил-КоА включается в цитратный цикл, давая энергию.

При физической нагрузке в мышцах образуется большое количество молочной кислоты. Она непрерывно образуется и в эритроцитах независимо от состояния организма. Во время и после нагрузки, в период восстановления, лактат удаляется из мышц. Через 0,5–1,5 часа молочной кислоты в мышце уже нет.

Небольшая часть молочной кислоты выводится с мочой. Большая часть лактата захватывается гепатоцитами, окисляется в пировиноградную кислоту и вступает на путь глюконеогенеза.

2 лактата + 4 АТФ + 2 ГТФ + 2 H₂O → глюкоза + 4 АДФ + 2 ГДФ + 6 Ф_н

Глюкозо-лактатный цикл, или цикл Кори, представляет собой связь глюконеогенеза в печени с образованием лактата из глюкозы в эритроцитах или мышцах. Полученная в печени глюкоза используется самим гепатоцитом или выходит в кровь, пополняя запасы в мышце и других клетках.

Значение у плода и в перинатальном периоде

В тканях плода анаэробный гликолиз очень активен в условиях дефицита кислорода. У плода и детей первых месяцев жизни преобладает анаэробный распад глюкозы, в связи с чем уровень лактата у них выше по сравнению со взрослыми.

Анаэробный гликолиз остаётся активным в период новорождённости и постепенно сменяется аэробным окислением.

Аэробное окисление глюкозы

Аэробное окисление глюкозы представляет собой полное окисление глюкозы до CO₂ и H₂O с образованием АТФ. Процесс начинается в цитозоле и продолжается в митохондриях.

Аэробное окисление глюкозы включает три стадии:

1. Гликолиз в цитозоле: глюкоза превращается в две молекулы пировиноградной кислоты.
2. Окислительное декарбоксилирование пирувата в митохондриях: две молекулы пирувата превращаются в две молекулы ацетил-КоА.
3. Цитратный цикл и дыхательная цепь: две молекулы ацетил-КоА окисляются в двух оборотах цитратного цикла, а образовавшиеся НАДН и ФАДН₂ передают электроны в дыхательную цепь.

Первая стадия — образование пирувата

Гликолиз до пирувата включает десять реакций. На подготовительном этапе затрачивается энергия АТФ, глюкоза активируется и расщепляется с образованием двух молекул глицеральдегид-3-фосфата.

1. Гексокиназа: глюкоза + АТФ → глюкозо-6-фосфат + АДФ.
2. Фосфоглюкоизомераза: глюкозо-6-фосфат ⇄ фруктозо-6-фосфат.
3. Фосфофруктокиназа: фруктозо-6-фосфат + АТФ → фруктозо-1,6-дифосфат + АДФ.
4. Альдолаза: фруктозо-1,6-дифосфат ⇄ глицеральдегид-3-фосфат + диоксиацетонфосфат.
5. Триозофосфатизомераза: диоксиацетонфосфат ⇄ глицеральдегид-3-фосфат.

На втором этапе освобождается энергия, содержащаяся в глицеральдегид-3-фосфате, и запасается в форме АТФ. Все реакции этого этапа протекают дважды на одну молекулу глюкозы.

6. Глицеральдегидфосфатдегидрогеназа: глицеральдегид-3-фосфат + H₃PO₄ + НАД⁺ → 1,3-дифосфоглицерат + НАДН + H⁺.
7. Фосфоглицераткиназа: 1,3-дифосфоглицерат + АДФ → 3-фосфоглицерат + АТФ.
8. Фосфоглицератмутаза: 3-фосфоглицерат ⇄ 2-фосфоглицерат.
9. Енолаза: 2-фосфоглицерат → фосфоенолпируват + H₂O.
10. Пируваткиназа: фосфоенолпируват + АДФ → пируват + АТФ.

На пути от глюкозы до двух молекул пирувата в чистом виде образуются две молекулы АТФ и две молекулы цитозольного НАДН.

Глюкоза → 2 пирувата + 2 АТФ + 2 НАДН

Вторая стадия — образование ацетил-КоА

При наличии кислорода пировиноградная кислота поступает в митохондрии и подвергается окислительному декарбоксилированию в пируватдегидрогеназном комплексе. Реакция необратима.

2 пирувата + 2 НАД⁺ + 2 HS-КоА → 2 ацетил-КоА + 2 CO₂ + 2 НАДН + 2 H⁺

Пируватдегидрогеназный комплекс содержит три фермента: пируватдегидрогеназу E₁, дигидролипоилтрансацетилазу E₂ и дигидролипоилдегидрогеназу E₃. В реакции участвуют тиаминдифосфат, липоамид, HS-КоА, ФАД и НАД⁺.

Из двух молекул пирувата образуются две молекулы ацетил-КоА и две молекулы НАДН. При современном коэффициенте P/O, равном 2,5, их окисление соответствует образованию пяти молекул АТФ.

Третья стадия — цитратный цикл и дыхательная цепь

Ацетил-КоА вступает в цитратный цикл и соединяется с оксалоацетатом. Далее последовательно образуются цитрат, изоцитрат, α-кетоглутарат, сукцинил-КоА, сукцинат, фумарат, малат и снова оксалоацетат.

При окислении одной ацетильной группы в цитратном цикле образуются три молекулы НАДН, одна молекула ФАДН₂ и одна молекула ГТФ. Их энергетический эквивалент составляет десять молекул АТФ.

Поскольку из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы ацетил-КоА, два оборота цитратного цикла дают:

НАДН и ФАДН₂ передают электроны в дыхательную цепь. Кислород является конечным акцептором электронов и восстанавливается до воды.

Необходимость челночных механизмов

Молекулы НАДН, образованные в глицеральдегидфосфатдегидрогеназной реакции, в аэробных условиях должны передать атомы водорода в дыхательную цепь митохондрий.

Сама молекула НАДН через внутреннюю митохондриальную мембрану не проходит. Поэтому существуют системы, принимающие от неё атомы водорода в цитоплазме и отдающие их в матриксе митохондрий. Такие системы называются челночными.

Основными являются глицерофосфатный и малат-аспартатный челночные механизмы.

Глицерофосфатный челночный механизм

Ключевыми ферментами глицерофосфатного челнока являются два изофермента глицерол-3-фосфатдегидрогеназы — цитоплазматический и митохондриальный. У цитоплазматической формы коферментом является НАД, у митохондриальной — ФАД.

1. В цитозоле диоксиацетонфосфат восстанавливается цитозольным НАДН до глицерол-3-фосфата.
2. Цитозольная НАД-зависимая глицерол-3-фосфатдегидрогеназа окисляет НАДН до НАД⁺.
3. Митохондриальная ФАД-зависимая глицерол-3-фосфатдегидрогеназа окисляет глицерол-3-фосфат обратно в диоксиацетонфосфат.
4. ФАД восстанавливается до ФАДН₂, который передаёт электроны в дыхательную цепь.

Диоксиацетонфосфат + НАДН + H⁺ ⇄ глицерол-3-фосфат + НАД⁺

Глицерол-3-фосфат + ФАД → диоксиацетонфосфат + ФАДН₂ → дыхательная цепь

При этом энергия цитозольного НАДН передаётся на ФАД. Две молекулы цитозольного НАДН дают через этот челнок три молекулы АТФ, поэтому общий выход аэробного окисления глюкозы составляет 30 АТФ.

Малатный, или малат-аспартатный, челночный механизм

Малат-аспартатный механизм сложнее глицерофосфатного. В нём участвуют малат, оксалоацетат, аспартат, глутамат и α-кетоглутарат.

1. В цитозоле аспартат трансаминируется с α-кетоглутаратом с образованием оксалоацетата и глутамата.
2. Цитозольная малатдегидрогеназа восстанавливает оксалоацетат до малата за счёт цитозольного НАДН.
3. Малат антипортом с α-кетоглутаратом переносится в матрикс митохондрии.
4. Митохондриальная малатдегидрогеназа окисляет малат до оксалоацетата с образованием митохондриального НАДН.
5. Внутренняя мембрана непроницаема для оксалоацетата, поэтому он трансаминируется с глутаматом и превращается в аспартат.
6. Аспартат выходит в цитозоль в обмен на глутамат и снова вступает в реакцию трансаминирования.

В этом механизме восстановительные эквиваленты цитозольного НАДН передаются на митохондриальный НАД⁺. Две молекулы цитозольного НАДН дают пять молекул АТФ, а общий выход аэробного окисления одной молекулы глюкозы составляет 32 АТФ.

Энергетическая эффективность аэробного окисления

По современным данным коэффициент P/O для НАДН равен 2,5, для ФАДН₂ — 1,5.

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 32 АДФ + 32 Ф_н → 6 CO₂ + 44 H₂O + 32 АТФ

Эффект Пастера

Эффект Пастера — снижение потребления глюкозы и прекращение продукции молочной кислоты клеткой в присутствии кислорода.

Биохимическая основа эффекта Пастера заключается в конкуренции между пируватдегидрогеназой, превращающей пируват в ацетил-КоА, и лактатдегидрогеназой, превращающей пируват в лактат.

При отсутствии кислорода реакции окислительного фосфорилирования не идут. Накапливающийся НАДН тормозит цитратный цикл и пируватдегидрогеназу. Ацетил-КоА, не поступающий в цитратный цикл, также ингибирует пируватдегидрогеназу. Пировиноградная кислота под действием лактатдегидрогеназы превращается в молочную.

При наличии кислорода ингибирование пируватдегидрогеназы прекращается. Благодаря более высокому сродству к пирувату пируватдегидрогеназа направляет его в образование ацетил-КоА.

Значение аэробного распада глюкозы

Аэробный распад обеспечивает полное окисление глюкозы до CO₂ и H₂O и образование основной части АТФ. Около 50–60% энергии глюкозы сохраняется в форме макроэргических связей.

Энергетическая эффективность аэробного пути значительно выше эффективности анаэробного гликолиза. Поэтому при поступлении кислорода образование лактата уменьшается, а пируват направляется в митохондриальное окисление.

У новорождённых аэробный путь начинает активироваться в первые 2–3 месяца жизни.

Общая характеристика

Пентозофосфатный путь — альтернативный аэробный способ окисления глюкозы, в котором из глюкозы образуются пентозофосфаты. Этот путь также называют апотомическим, или верхушечным, окислением.

Реакции пентозофосфатного пути протекают в цитозоле. Путь непосредственно не связан с образованием АТФ и прежде всего обеспечивает анаболические процессы клетки.

Пентозофосфатный путь включает два этапа:

• окислительный этап — необратимый;
• неокислительный этап — обратимый, представляющий собой ряд структурных перестроек моносахаридов.

Окислительный этап

На первом этапе глюкозо-6-фосфат в трёх реакциях превращается в рибулозо-5-фосфат. Реакции сопровождаются восстановлением двух молекул НАДФ⁺ до НАДФН.

1. Окисление глюкозо-6-фосфата. Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа переносит водород на НАДФ⁺. Образуются 6-фосфоглюконо-δ-лактон и НАДФН.
2. Гидролиз лактона. Под действием лактоназы 6-фосфоглюконо-δ-лактон присоединяет воду и превращается в 6-фосфоглюконовую кислоту.
3. Окислительное декарбоксилирование. 6-Фосфоглюконатдегидрогеназа окисляет 6-фосфоглюконат; одновременно отщепляется CO₂. Образуются рибулозо-5-фосфат и вторая молекула НАДФН.

Неокислительный этап

Второй этап представляет собой обратимые ферментативные реакции переноса фрагмента одного углевода на молекулу другого. При каждой перестройке общее число атомов углерода в продуктах равно числу атомов углерода в исходных веществах. Благодаря этим реакциям пентозы способны возвращаться в фонд гексоз.

Рибулозо-5-фосфат превращается в рибозо-5-фосфат и ксилулозо-5-фосфат. Рибозо-5-фосфат образуется под действием изомеразы, ксилулозо-5-фосфат — под действием эпимеразы.

1. Транскетолаза переносит двухуглеродный фрагмент с ксилулозо-5-фосфата на рибозо-5-фосфат. Образуются седогептулозо-7-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Коферментом транскетолазы служит тиаминдифосфат.
2. Трансальдолаза переносит трёхуглеродный фрагмент с седогептулозо-7-фосфата на глицеральдегид-3-фосфат. Образуются эритрозо-4-фосфат и фруктозо-6-фосфат.
3. Эритрозо-4-фосфат взаимодействует ещё с одной молекулой ксилулозо-5-фосфата. Транскетолаза образует фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат.

При реализации всех реакций неокислительного этапа три молекулы пентозо-5-фосфатов превращаются в две молекулы фруктозо-6-фосфата и одну молекулу глицеральдегид-3-фосфата.

3 пентозо-5-фосфата ⇄ 2 фруктозо-6-фосфата + глицеральдегид-3-фосфат

Фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат могут включаться в гликолиз. При необходимости из глицеральдегид-3-фосфата и фруктозо-6-фосфата вновь образуется глюкозо-6-фосфат, который повторно поступает в пентозофосфатный путь.

Итоговое уравнение

При циклическом течении процесса пять из шести молекул глюкозы регенерируются, а одна молекула полностью окисляется до CO₂ с образованием восстановленного НАДФ.

6 молекул глюкозы + 12 НАДФ → 5 молекул глюкозы + 6 CO₂ + 12 НАДФН₂

Распространение

Наиболее активно реакции пентозофосфатного пути идут в цитозоле клеток:

• печени;
• жировой ткани;
• эритроцитов;
• коры надпочечников;
• молочной железы при лактации.

В гораздо меньшей степени пентозофосфатный путь активен в скелетных мышцах. Высокая активность пути характерна для тканей, в которых интенсивно идут восстановительные синтезы, требуется рибоза для образования нуклеотидов или необходима постоянная антиоксидантная защита.

Значение окислительного этапа

Главное значение первого этапа состоит в синтезе НАДФН. Образованный НАДФН используется:

• для синтеза жирных кислот;
• для синтеза холестерола и других стероидов, в том числе жёлчных кислот;
• для синтеза глутаминовой кислоты из α-кетоглутаровой кислоты в реакции восстановительного аминирования;
• для синтеза дезоксирибонуклеотидов;
• в системах защиты клетки от свободнорадикального окисления;
• в цепи микросомального окисления с участием цитохрома P450;
• для восстановления железа Fe³⁺ метгемоглобина в Fe²⁺ нормального гемоглобина;
• для реактивации фолиевой кислоты и витамина K.

Значение неокислительного этапа

Значение второго этапа двояко.

• Рибозо-5-фосфат используется для синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Он необходим также для образования нуклеотидных коферментов и макроэргических соединений.
• Избыток пентозо-5-фосфатов превращается во фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Эти соединения включаются в путь гликолиза или используются для повторного образования гексоз.

В зависимости от потребностей клетки неокислительный этап может подключаться к окислительному этапу или выключаться из процесса.

Роль пути в различных клетках

Метаболизм глюкозо-6-фосфата в пентозофосфатном пути может идти по различным вариантам. Судьба промежуточных продуктов определяется потребностями и типом клетки.

Регуляция

Регуляция происходит на окислительном этапе. Инсулин повышает активность двух дегидрогеназ этого этапа:

• глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы;
• 6-фосфоглюконатдегидрогеназы.

Поэтому при действии инсулина усиливается образование НАДФН, необходимого для восстановительных синтезов, прежде всего для синтеза жирных кислот и холестерола.

Особенности у детей

У новорождённых и детей первых лет жизни активность пентозофосфатного пути довольно высока. В детском возрасте он протекает активнее, чем у взрослых.

На первом году жизни пентозофосфатный путь выполняет не только пластическую, но и энергетическую функцию. В кафедральном расчёте при полном окислении одной молекулы глюкозы образуются 12 молекул НАДФН₂, что соответствует потенциальным 36 АТФ.

Клиническое значение: недостаточность глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы

Генетическая недостаточность глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы связана с X-хромосомой. Следствием ферментного дефекта является снижение синтеза НАДФН. Особенно существенно это влияет на эритроциты, в которых окислительный этап пентозофосфатного пути служит единственным источником НАДФН.

НАДФН работает совместно с глутатионредуктазой, глутатионом и глутатионпероксидазой. Эта система восстанавливает пероксид водорода до воды и защищает клетку от активных форм кислорода.

При дефекте фермента активность антиоксидантной системы снижается, пероксид водорода накапливается, усиливается повреждение мембраны эритроцитов и развивается гемолиз. Проявление патологии могут провоцировать лекарственные препараты и токсины с окислительными свойствами, а также бактериальные и вирусные инфекции.

Определение и локализация

Глюконеогенез — синтез глюкозы из неуглеводных компонентов: лактата, пирувата, глицерола, кетокислот цитратного цикла и других кетокислот, аминокислот.

Процесс включает все обратимые реакции гликолиза и особые обходные пути, поэтому он не полностью повторяет реакции окисления глюкозы. Часть реакций протекает в митохондриях, часть — в цитозоле.

Отдельные реакции глюконеогенеза могут идти в разных тканях, однако последняя глюкозо-6-фосфатазная реакция происходит только в печени и почках. Поэтому полный синтез свободной глюкозы осуществляется именно в этих органах.

Значение глюконеогенеза

В клетках организма постоянно существует потребность в глюкозе:

• для эритроцитов глюкоза является единственным источником энергии;
• нервная ткань потребляет около 120 г глюкозы в сутки и только при длительном голодании частично переходит на использование кетоновых тел;
• глюкоза необходима для поддержания концентрации метаболитов цитратного цикла, прежде всего оксалоацетата.

При недостатке углеводов в пище, голодании и длительной физической работе глюконеогенез поддерживает содержание глюкозы в крови и снабжает ею ткани.

Кроме образования глюкозы, процесс обеспечивает утилизацию лактата, постоянно образующегося в эритроцитах и работающих мышцах, а также глицерола, образующегося при липолизе в жировой ткани.

Исходные вещества и их включение в процесс

Все аминокислоты, кроме кетогенных лейцина и лизина, способны полностью или частично участвовать в синтезе глюкозы.

Необратимые реакции гликолиза и их обход

В гликолизе имеются три необратимые реакции:

• пируваткиназная реакция;
• фосфофруктокиназная реакция;
• гексокиназная реакция.

Энергетические барьеры этих реакций в глюконеогенезе преодолеваются с помощью дополнительных ферментов:

• пируваткарбоксилазы и фосфоенолпируваткарбоксикиназы;
• фруктозо-1,6-бисфосфатазы;
• глюкозо-6-фосфатазы.

Обход пируваткиназной реакции

1. Образование оксалоацетата. В митохондриях пируваткарбоксилаза превращает пируват в оксалоацетат. Для реакции необходимы АТФ, CO₂ и биотин.
2. Образование малата. Внутренняя митохондриальная мембрана непроницаема для оксалоацетата. Митохондриальная малатдегидрогеназа восстанавливает его до малата за счёт НАДН.
3. Перенос в цитозоль. Малат проходит через митохондриальную мембрану и в цитозоле вновь окисляется до оксалоацетата. Одновременно образуется цитозольный НАДН, необходимый для последующих реакций.
4. Образование фосфоенолпирувата. Фосфоенолпируваткарбоксикиназа превращает оксалоацетат в фосфоенолпируват. Расходуется ГТФ и отщепляется тот же атом углерода, который был присоединён пируваткарбоксилазой.

Обратимые реакции от фосфоенолпирувата до фруктозо-1,6-бисфосфата

После образования фосфоенолпирувата реакции идут в направлении, обратном гликолизу:

1. фосфоенолпируват гидратируется до 2-фосфоглицерата;
2. 2-фосфоглицерат превращается в 3-фосфоглицерат;
3. 3-фосфоглицерат фосфорилируется за счёт АТФ до 1,3-бисфосфоглицерата;
4. 1,3-бисфосфоглицерат восстанавливается за счёт НАДН до глицеральдегид-3-фосфата;
5. часть глицеральдегид-3-фосфата изомеризуется в диоксиацетонфосфат;
6. глицеральдегид-3-фосфат и диоксиацетонфосфат соединяются с образованием фруктозо-1,6-бисфосфата.

Обход фосфофруктокиназной и гексокиназной реакций

Фруктозо-1,6-бисфосфатаза гидролизует фруктозо-1,6-бисфосфат с образованием фруктозо-6-фосфата. Фосфат отщепляется без образования АТФ.

Фруктозо-1,6-бисфосфат + H₂O → фруктозо-6-фосфат + Ф_н

Фруктозо-6-фосфат обратимо изомеризуется в глюкозо-6-фосфат.

Фруктозо-6-фосфат ⇄ глюкозо-6-фосфат

Глюкозо-6-фосфатаза гидролизует глюкозо-6-фосфат до свободной глюкозы. После завершения реакции глюкоза выходит из клеток печени и почек в кровь.

Глюкозо-6-фосфат + H₂O → глюкоза + Ф_н

Энергетические затраты

На синтез одной молекулы глюкозы из двух молекул пирувата или лактата расходуются четыре молекулы АТФ и две молекулы ГТФ — всего шесть макроэргических фосфатных связей.

2 лактата + 4 АТФ + 2 ГТФ → глюкоза + 4 АДФ + 2 ГДФ + 6 Ф_н

Глюконеогенез является энергозатратным процессом. Поэтому он активируется при достаточном обеспечении клетки АТФ, в частности при усиленном окислении жирных кислот в печени.

Регуляция глюконеогенеза

Регуляция гликолиза и глюконеогенеза осуществляется гормональными и метаболическими механизмами.

Гормональная регуляция

• Глюкокортикоиды увеличивают синтез пируваткарбоксилазы, фосфоенолпируваткарбоксикиназы и фруктозо-1,6-бисфосфатазы.
• Глюкагон стимулирует эти ферменты через аденилатциклазный механизм.
• Инсулин активирует гексокиназу, фосфофруктокиназу и пируваткиназу, направляя обмен в сторону гликолиза.

Метаболическая регуляция

• ацетил-КоА аллостерически активирует пируваткарбоксилазу;
• АТФ активирует фруктозо-1,6-бисфосфатазу;
• АМФ активирует фосфофруктокиназу и усиливает гликолиз;
• АТФ, цитрат и жирные кислоты ингибируют фосфофруктокиназу.

Таким образом, высокая концентрация АТФ активирует глюконеогенез, требующий энергии, и одновременно тормозит гликолиз, который эту энергию образует. При недостатке АТФ усиливается гликолиз, а синтез глюкозы затормаживается.

Цикл Кори

Глюкозо-лактатный цикл, или цикл Кори, — взаимосвязь образования лактата из глюкозы в мышцах и эритроцитах с глюконеогенезом в печени.

1. В работающей мышце глюкоза расщепляется до лактата. При анаэробном гликолизе образуются две молекулы АТФ.
2. Лактат выходит из мышц в кровь и переносится в печень. Лактат также постоянно поступает в кровь из эритроцитов.
3. Гепатоциты захватывают лактат и окисляют его до пирувата.
4. Пируват вступает в глюконеогенез. На образование одной молекулы глюкозы печень расходует шесть макроэргических связей.
5. Образовавшаяся глюкоза выходит в кровь и вновь поступает в мышцу или используется другими клетками.

Цикл Кори обеспечивает удаление лактата из работающей мышцы, предупреждает его чрезмерное накопление и позволяет печени поддерживать концентрацию глюкозы в крови во время и после физической нагрузки.

Витамин H в глюконеогенезе

Витамин H, или биотин, участвует в реакциях карбоксилирования. Он является коферментом пируваткарбоксилазы и необходим для присоединения CO₂ к пирувату с образованием оксалоацетата.

Пируват + CO₂ + АТФ → оксалоацетат + АДФ + Ф_н

Значение в метаболизме плода

Глюконеогенез активен в последние месяцы внутриутробного развития. Он обеспечивает образование глюкозы из неуглеводных веществ и участвует в поддержании фонда глюкозы в период подготовки организма к самостоятельному обмену после рождения.

После рождения активность глюконеогенеза возрастает начиная с третьего месяца жизни. Это происходит одновременно с постепенным усилением аэробного обмена и созреванием механизмов поддержания концентрации глюкозы в крови.

Концентрация глюкозы в крови

Основным метаболитом углеводного обмена является глюкоза. Её содержание в тканях и плазме крови поддерживается на определённом уровне благодаря сбалансированности процессов образования и распада.

У здорового человека содержание глюкозы в крови относится к биохимическим константам и составляет 3,3–5,5 ммоль/л; допустимой верхней границей считается 6,0 ммоль/л.

Основными факторами гормональной регуляции являются глюкагон, адреналин, глюкокортикоиды и соматотропный гормон, с одной стороны, и инсулин — с другой. Инсулин является единственным гормоном организма, действие которого направлено на снижение уровня глюкозы крови. Остальные перечисленные гормоны повышают гликемию, действуя преимущественно на печень.

Пути поступления глюкозы в кровь

Фонд глюкозы пополняется:

• за счёт поступления моносахаридов, всосавшихся в кишечнике;
• при распаде гликогена в печени;
• путём глюконеогенеза — синтеза глюкозы из неуглеводных веществ.

После приёма пищи основным источником служат всосавшиеся моносахариды. Между приёмами пищи глюкоза поступает в кровь при распаде гликогена печени. При голодании и длительной физической нагрузке возрастает значение глюконеогенеза.

Пути расходования глюкозы

Глюкоза в тканях расходуется:

• на образование энергии при анаэробном и аэробном окислении;
• на синтез гликогена;
• в реакциях пентозофосфатного пути;
• на синтез липидов;
• на синтез некоторых аминокислот;
• на образование производных глюкозы и других необходимых тканям соединений.

Механизмы регуляции углеводного обмена

Авторегуляция на клеточном уровне осуществляется путём аллостерического изменения активности ферментов либо путём их фосфорилирования и дефосфорилирования. АТФ и АДФ являются аллостерическими регуляторами ключевых ферментов гликолиза и глюконеогенеза: высокая концентрация АТФ активирует глюконеогенез, а высокая концентрация АДФ активирует ключевые ферменты гликолиза.

Нервная регуляция выражается во влиянии нервной системы на секрецию гормонов. Блуждающий нерв положительно влияет на секрецию инсулина, симпатическая иннервация тормозит её. Выделение адреналина и развитие его эффектов подчинены прямому влиянию симпатической нервной системы.

Подтверждением нервной регуляции является «сахарный укол»: раздражение дна четвёртого желудочка приводит к повышению уровня глюкозы в крови.

Эндокринная регуляция осуществляется гормонами гипофиза, щитовидной железы, поджелудочной железы и надпочечников. Действие гормонов в конечном итоге сводится к изменению активности ферментов углеводного обмена.

Инсулин

Инсулин — гормон белковой природы, вырабатывающийся β-клетками островков поджелудочной железы в ответ на повышение уровня глюкозы крови. Главным регулятором его секреции является глюкоза; пороговая концентрация для секреции инсулина составляет около 5,5 ммоль/л.

Инсулин оказывает гипогликемическое действие. Уменьшение концентрации глюкозы в крови достигается следующими путями:

• активация белков-переносчиков ГЛЮТ-4 и поступления глюкозы в скелетные и сердечные миоциты и адипоциты;
• вовлечение глюкозы в гликолиз благодаря активации глюкокиназы, фосфофруктокиназы и пируваткиназы;
• усиление синтеза гликогена вследствие активации гликогенсинтазы;
• торможение распада гликогена;
• активация пентозофосфатного пути путём индукции синтеза глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы и 6-фосфоглюконатдегидрогеназы;
• усиление липогенеза — вовлечение глюкозы в синтез триацилглицеролов;
• торможение глюконеогенеза.

После связывания инсулина с рецептором активируется тирозинкиназный домен рецептора. Последующая активация фосфатидилинозитол-3-киназы приводит к быстрым метаболическим эффектам, в том числе к перемещению ГЛЮТ-4 на клеточную мембрану и изменению активности ферментов обмена.

Активируя фосфодиэстеразу, разрушающую цАМФ, инсулин прерывает эффекты адреналина и глюкагона на печень и жировую ткань.

К инсулиннезависимым тканям относятся нервная ткань, стекловидное тело, хрусталик, сетчатка, клубочковые клетки почек, эндотелиоциты, семенники и эритроциты.

Глюкагон

Глюкагон — гормон пептидной природы, образующийся в α-клетках островков поджелудочной железы. Его секрецию активируют гипогликемия и адреналин, уменьшают — глюкоза и жирные кислоты.

Глюкагон оказывает гипергликемическое действие. В печени он:

• усиливает мобилизацию гликогена через активацию гликогенфосфорилазы;
• стимулирует глюконеогенез, повышая активность пируваткарбоксилазы, фосфоенолпируваткарбоксикиназы и фруктозо-1,6-бисфосфатазы.

Рецепторы к глюкагону имеются в печени и жировой ткани. В мышцах действие глюкагона не реализуется.

Адреналин

Адреналин — гормон мозгового слоя надпочечников, производное аминокислоты тирозина. Рецепторы к нему имеются в печени, жировой ткани и мышцах. Адреналин является гормоном острого стресса и оказывает гипергликемическое действие.

В печени адреналин активирует распад гликогена и увеличивает поступление глюкозы в кровь. В мышцах он усиливает гликогенолиз и образование энергии для мышечного сокращения. В жировой ткани адреналин активирует липолиз и повышает концентрацию свободных жирных кислот в крови.

Адреналин и глюкагон действуют с участием цАМФ. Увеличение содержания цАМФ активирует протеинкиназу, которая переводит фосфорилазу из неактивной формы в активную; в результате усиливается распад гликогена в печени.

Кортизол

Кортизол — основной глюкокортикоид человека, стероидный гормон коры надпочечников. Его мишенями являются мышечная, лимфоидная, эпителиальная, жировая и костная ткани, а также печень.

Глюкокортикоиды повышают концентрацию глюкозы в крови:

• снижают проницаемость мембран для глюкозы в инсулинзависимых тканях;
• усиливают катаболизм белков в периферических тканях, в результате чего образуются аминокислоты — субстраты глюконеогенеза;
• стимулируют глюконеогенез, увеличивая синтез фосфоенолпируваткарбоксикиназы, пируваткарбоксилазы и фруктозо-1,6-бисфосфатазы.

Гипергликемические состояния

Гипергликемия — повышение концентрации глюкозы в крови более 6,0 ммоль/л.

К физиологическим гипергликемиям относятся:

• алиментарная — связана с приёмом пищи и в норме продолжается не более двух часов;
• нейрогенная — возникает при нервном напряжении, которое стимулирует секрецию адреналина и мобилизацию гликогена в печени;
• гипергликемия беременных — связана с относительной недостаточностью инсулина при увеличении массы тела и потребности плода в глюкозе.

Патологические гипергликемии наблюдаются при заболеваниях гипофиза, коры и мозгового слоя надпочечников, щитовидной железы, β-клеток поджелудочной железы, а также при органических поражениях центральной нервной системы.

Наиболее распространённым и серьёзным гипергликемическим состоянием является сахарный диабет. При недостатке инсулина уменьшается поступление глюкозы в ткани, усиливаются гликогенолиз и глюконеогенез, поэтому концентрация глюкозы в крови возрастает.

Гипогликемические состояния

Гипогликемия — снижение концентрации глюкозы в крови ниже 3,5 ммоль/л.

К физиологическим причинам относятся:

• кратковременное или длительное голодание;
• интенсивная физическая нагрузка.

Патологические причины:

• гиперинсулинизм при передозировке инсулина во время лечения сахарного диабета;
• инсулинома — инсулинпродуцирующая опухоль;
• замедленный распад инсулина при недостатке инсулиназы;
• гликогенозы;
• заболевания печени;
• недостаток контринсулярных гормонов при гипопитуитаризме и болезни Аддисона;
• заболевания кишечника: энтериты, гельминтозы и дисбактериозы.

У недоношенных и новорождённых гипогликемии способствуют охлаждение, малые запасы гликогена в печени и её общая незрелость.

В первые дни жизни возможна преходящая гипогликемия новорождённых. Её причинами являются прекращение поступления глюкозы из организма матери, усиленное расходование гликогена и глюкозы во время рождения и слабость глюконеогенеза. В тяжёлых случаях развиваются судороги и нарушения функции центральной нервной системы.

Определение толерантности к глюкозе

Для ранней диагностики сахарного диабета используют метод сахарных нагрузок, или построение гликемических кривых. Метод оценивает толерантность организма к глюкозе.

У обследуемого натощак определяют содержание глюкозы в крови. Затем дают выпить раствор глюкозы из расчёта 1,5–2,0 г на килограмм массы тела. Кровь исследуют непосредственно перед приёмом глюкозы и далее через 30, 60, 90 и 120 минут; при необходимости пробу берут также на 180-й минуте.

В норме концентрация глюкозы к 60-й минуте повышается на 50–75%, но не более чем в 1,5–1,7 раза, а к 90–120-й минуте снижается до исходной величины. При исходном содержании 4,0–5,5 ммоль/л подъём глюкозы должен быть не более 7,5 ммоль/л.

Гипергликемическая кривая характеризуется повышением глюкозы в 2–3 раза и медленной нормализацией показателей — не ранее 150–180 минут. Наиболее частыми причинами такой кривой являются скрытый сахарный диабет второго типа и повреждение паренхимы печени. Она наблюдается также при избытке катехоламинов, гипертиреозе, гиперкортицизме и заболеваниях гипоталамуса и гипофиза.

При гипогликемической кривой концентрация глюкозы повышается не более чем на 25% и быстро возвращается к исходной величине. Такие кривые наблюдаются при аденоме островков поджелудочной железы, гипотиреозе, гипофункции коры надпочечников, заболеваниях кишечника, дисбактериозе и гельминтозах.

Гиперкортицизм

Гиперфункция глюкокортикоидов может быть первичной или вторичной. Первичный гиперкортицизм — синдром Кушинга, связанный с избыточной функцией коры надпочечников. Вторичный гиперкортицизм — болезнь Иценко–Кушинга, развивающаяся при избытке АКТГ.

При гиперкортицизме наблюдаются:

• снижение толерантности к глюкозе — аномальная гипергликемия после сахарной нагрузки или после еды;
• гипергликемия вследствие активации глюконеогенеза;
• глюкозурия;
• усиление катаболизма белков и повышение содержания продуктов азотистого обмена;
• ожирение лица и туловища: лунообразное лицо, «буйволиный горб», фартучный живот;
• остеопороз и усиленная потеря кальция и фосфатов из костной ткани;
• лейкопения, иммунодефицит, истончение кожи и язвенная болезнь;
• нарушение синтеза коллагена и гликозаминогликанов;
• артериальная гипертензия вследствие задержки натрия и воды.

Основные липиды тканей человека

Липиды (жиры и жироподобные вещества) — неоднородные в химическом отношении органические вещества, нерастворимые в воде, но растворимые в органических растворителях. В этот класс входят вещества, весьма разнообразные по строению; объединяющим для них свойством является гидрофобность.

Основные липиды тканей построены из различных спиртов и жирных кислот. Спирты представлены глицерином, сфингозином и холестерином.

Жирные кислоты входят в состав практически всех классов липидов, кроме производных холестерола. Для жирных кислот человека характерны:

• чётное число углеродных атомов в цепи;
• отсутствие разветвлений цепи;
• наличие двойных связей только в цис-конформации.

По строению жирные кислоты различаются длиной цепи и количеством двойных связей. К насыщенным относятся пальмитиновая (С16:0), стеариновая (С18:0) и арахиновая (С20:0) кислоты; к мононенасыщенным — пальмитоолеиновая (С16:1, Δ9) и олеиновая (С18:1, Δ9). Полиненасыщенные жирные кислоты содержат две и более двойные связи, разделённые метиленовой группой. К ω-6-жирным кислотам относятся линолевая, γ-линоленовая и арахидоновая, к ω-3-жирным кислотам — α-линоленовая, тимнодоновая, клупанодоновая и цервоновая кислоты.

В жирах тканей человека приблизительно 2/3 составляют ненасыщенные жирные кислоты — преимущественно пальмитоолеиновая и олеиновая, а 1/3 приходится на насыщенные жирные кислоты — преимущественно пальмитиновую и стеариновую. Температура плавления жиров тканей человека составляет около 15 °C, поэтому в организме они находятся в жидком состоянии.

Классификация липидов

По отношению к гидролизу в щелочной среде липиды подразделяются на две большие группы:

• омыляемые липиды;
  • простые — состоят только из спирта и жирных кислот: воски, триацилглицеролы, эфиры холестерола;
  • сложные — кроме спирта и жирных кислот содержат вещества иного строения: фосфолипиды, гликолипиды, сфинголипиды;
• неомыляемые липиды — к ним относится большая группа стероидов: холестерол и его производные, стероидные гормоны, стероидные витамины и жёлчные кислоты.

По виду спирта, входящего в состав молекулы, выделяют три группы липидов:

• глицеринсодержащие: триацилглицерины и глицерофосфолипиды;
• сфингозинсодержащие: сфингофосфолипиды и сфингогликолипиды — цереброзиды и ганглиозиды;
• холестеринсодержащие: свободный холестерин, эфиры холестерина и другие стероиды.

Содержание и биологические функции липидов

Общее содержание липидов в тканях организма человека вариабельно и составляет 10–20% массы тела. Около 1/4 этого количества приходится на структурные липиды, около 3/4 — на резервные жиры.

Липиды выполняют следующие функции:

• резервно-энергетическую: триацилглицеролы подкожного жира являются основным энергетическим резервом организма при голодании; при окислении 1 г жира образуется около 9 ккал;
• структурную, или пластическую: липиды входят в состав клеточных мембран; обязательными компонентами мембран являются фосфолипиды, гликолипиды и холестерол; основным компонентом сурфактанта лёгких является фосфатидилхолин;
• сигнальную и регуляторную: гликолипиды выполняют рецепторные функции, фосфатидилинозитол участвует в передаче гормонального сигнала в клетку, из жирных кислот образуются эйкозаноиды, из холестерола — стероидные гормоны;
• защитную: подкожная и брыжеечная жировая ткань обеспечивают механическую защиту внутренних органов;
• терморегуляторную: липиды подкожной клетчатки уменьшают теплоотдачу;
• участвуют в проведении нервных импульсов и образуют миелиновые оболочки нервных волокон;
• служат растворителями жирорастворимых витаминов;
• являются источником эндогенной воды.

Резервные и структурные липиды

Резервные липиды представлены преимущественно триацилглицеролами. Триацилглицеролы являются наиболее распространёнными липидами организма человека; в среднем их доля составляет 16–23% массы тела взрослого. В адипоцитах жиры могут составлять 65–85% массы клетки. Запасов подкожного жира у среднего человека достаточно для поддержания жизнедеятельности примерно в течение 40 дней полного голодания.

Триацилглицеролы — сложные эфиры трёхатомного спирта глицерина и трёх высших жирных кислот. Они выполняют резервно-энергетическую, теплосберегающую и механически защитную функции.

Структурные липиды представлены прежде всего глицерофосфолипидами, сфинголипидами и холестерином. Большинство глицерофосфолипидов построено на основе фосфатидной кислоты, состоящей из глицерина, двух остатков жирных кислот и остатка фосфорной кислоты. Все фосфолипиды являются дифильными веществами: содержат гидрофильную и гидрофобную части, благодаря чему образуют липидный бислой мембран.

Фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин и фосфатидилхолин вместе с холестерином формируют липидный бислой клеточных мембран. От их жирнокислотного состава зависят активность мембранных ферментов, вязкость и проницаемость мембран. Плазмалогены участвуют в построении мембран и составляют до 10% фосфолипидов мозга и мышечной ткани; кардиолипин является структурным фосфолипидом внутренней мембраны митохондрий.

Состав и организация клеточных мембран

В состав клеточных мембран в различных соотношениях входят белки, липиды и углеводы. На долю белков в среднем приходится 50%, липидов — 30%, углеводов — 10%. Около половины мембранных липидов составляют глицерофосфолипиды, около трети приходится на холестерин, меньшая часть — на сфинголипиды. Углеводы мембран входят в состав гликосфинголипидов и гликопротеинов.

Общепринятой является мозаичная модель клеточной мембраны. Основу мембраны составляют глицерофосфолипиды, ориентированные таким образом, что гидрофильные участки находятся на поверхности, а гидрофобные — в глубине мембраны. В силу дифильности глицерофосфолипиды образуют билипидный слой.

Фосфолипиды располагаются асимметрично: на наружной поверхности плазматической мембраны преобладает фосфатидилхолин, на внутренней — фосфатидилэтаноламин и фосфатидилсерин.

Белки клеточных мембран

Мембранные белки представлены ферментами, структурными, транспортными и рецепторными белками. По расположению они подразделяются на поверхностные и интегральные.

Интегральные белки обычно расположены в мембране асимметрично. Толщу мембраны пронизывают гидрофобные участки белка, чаще всего уложенные в виде α-спирали. С-конец полипептидной цепи находится на внутренней поверхности, N-конец — на наружной поверхности мембраны. К N-концевому фрагменту часто присоединяются углеводы, выполняющие рецепторную функцию.

Гидрофобные части белка взаимодействуют с гидрофобными участками липидов, а гидрофильные части — с гидрофильными участками липидов и водной средой.

Физико-химические свойства и функции мембран

Физико-химические свойства мембран определяются их химическим составом и температурой окружающей среды. Жёсткость мембранам придают холестерин и насыщенные жирные кислоты, ненасыщенные жирные кислоты определяют текучесть мембранных липидов.

При низкой температуре фосфолипиды достаточно жёстко фиксированы в составе мембраны; при повышении температуры становится возможным перемещение липидов. При температуре тела липиды мембраны находятся в жидкокристаллическом состоянии.

Основные функции клеточных мембран:

• разделительная: мембраны придают форму клеткам, формируют внутриклеточные отсеки и взаимодействуют с цитоскелетом;
• коммуникативная: обеспечивают межклеточные контакты с помощью рецепторов;
• метаболическая: в мембраны встроены мембранные ферменты;
• транспортная: через мембрану осуществляется перенос веществ;
• рецепторная: рецепторы мембран избирательно взаимодействуют с определёнными веществами.

Пассивный транспорт осуществляется по градиенту концентрации через соответствующие мембранные каналы. Активный транспорт идёт против градиента концентрации с использованием энергии АТФ. В облегчённом транспорте участвуют специальные транспортные белки, осуществляющие или однонаправленное перемещение двух веществ, или разнонаправленное перемещение двух веществ через мембрану. Транспорт макромолекул происходит путём эндоцитоза и экзоцитоза.

Бурая жировая ткань у детей

В раннем детском возрасте важным видом жировой ткани является бурая жировая ткань. Она локализована преимущественно на спине и груди. Бурый оттенок обусловлен большим количеством митохондрий и железосодержащих цитохромов.

Физиологическим протонофором является белок термогенин, содержание которого в клетках бурой жировой ткани достигает 15% всех белков митохондрий. При охлаждении организма клетки получают сигналы по симпатическим нервам, и в них активируется липолиз. Окисление жирных кислот приводит к образованию НАДН и ФАДН₂, активации дыхательной цепи и выкачиванию протонов в межмембранное пространство.

В митохондриях бурой жировой ткани мало АТФ-синтазы, но много термогенина. Через термогенин протоны возвращаются в матрикс, минуя АТФ-синтазу, поэтому энергия протонного градиента не запасается в АТФ, а рассеивается в виде тепла. Таким образом, в бурой жировой ткани происходит нефосфорилирующее окисление липидов, обеспечивающее термогенез и поддержание температуры тела ребёнка.

Бурая жировая ткань широко представлена у человеческих младенцев. У взрослого человека сохраняются отдельные скопления бурых адипоцитов между лопатками, в подмышечных областях и по ходу крупных кровеносных сосудов. Жировое депо у детей легко истощается при нарушении питания, заболеваниях и стрессе.

Особенности липидов тканей новорождённых

У новорождённых общее содержание липидов ниже, чем у взрослых, и составляет 8–16% массы тела; у недоношенных детей — 3–4%. В течение первого года жизни содержание липидов увеличивается до 28%.

Триацилглицеролы плода и новорождённых отличаются большим содержанием насыщенных жирных кислот. Они являются основным источником энергии и тепла для новорождённых, поскольку запасы гликогена у младенцев малы и нередко имеется незрелость ферментативного окисления глюкозы.

Недостаточное развитие жировой прослойки повышает опасность переохлаждения, особенно у недоношенных детей. Поэтому их необходимо чаще кормить и принимать дополнительные меры для сохранения тепла.

Переваривание белков. Эндо- и экзопептидазы

Переваривание белков начинается в желудке, продолжается в двенадцатиперстной кишке и тонком кишечнике. Распад белков и аминокислот может происходить также в толстом кишечнике под влиянием микрофлоры.

Протеолитические ферменты подразделяют на экзопептидазы, отщепляющие концевые аминокислоты, и эндопептидазы, действующие на внутренние пептидные связи. Пищеварительные протеазы синтезируются в виде неактивных проферментов; их активация происходит путём ограниченного протеолиза.

Желудочное переваривание

В желудке пища подвергается воздействию желудочного сока, включающего соляную кислоту и ферменты. К ферментам желудка относятся две группы протеаз с разным оптимумом pH: пепсин и гастриксин. У грудных детей основным ферментом является реннин.

Регуляция желудочного пищеварения осуществляется нервными — условными и безусловными рефлексами — и гуморальными механизмами. Гастрин выделяется G-клетками в ответ на раздражение механорецепторов, хеморецепторов продуктами первичного гидролиза белков и под влиянием n. vagus. Он стимулирует главные, обкладочные и добавочные клетки, вызывая секрецию желудочного сока, преимущественно соляной кислоты. Гистамин, образующийся в ECL-клетках, взаимодействует с H₂-рецепторами обкладочных клеток и увеличивает синтез и выделение соляной кислоты. Закисление желудочного содержимого подавляет G-клетки и снижает секрецию гастрина и желудочного сока.

Функции соляной кислоты:

• денатурация белков пищи;
• высвобождение железа, других металлов, гема и коферментов из комплексов с белками;
• бактерицидное действие;
• превращение пепсиногена в пепсин;
• снижение pH желудочного содержимого до 1,5–2,5 и создание оптимума для пепсина;
• стимуляция секреции кишечных гормонов, панкреатического сока и желчи.

Совокупность веществ желудочного сока, способных быть донорами протонов, составляет общую кислотность. Соляную кислоту, связанную с белками и продуктами их переваривания, называют связанной; находящуюся в несвязанном виде — свободной.

Пепсин и гастриксин

Пепсин — эндопептидаза, расщепляющая внутренние пептидные связи в белках и пептидах. Он синтезируется в главных клетках в виде пепсиногена, активный центр которого прикрыт N-концевым фрагментом. В присутствии соляной кислоты конформация пепсиногена изменяется; активный центр отщепляет остаточный N-концевой пептид, происходит аутокатализ. Образовавшийся пепсин активирует другие молекулы пепсиногена.

Оптимум pH пепсина — 1,5–2,0. Он гидролизует связи, образованные аминогруппами тирозина, фенилаланина и триптофана, и значительно хуже — карбокси- и аминогруппами лейцина, глутаминовой кислоты и пролина.

Гастриксин по функциям близок к пепсину; его количество в желудочном соке составляет 20–50% от количества пепсина. Он синтезируется в виде профермента, активируется соляной кислотой, имеет оптимум pH 3,2–3,5 и особенно важен при питании молочно-растительной пищей. Гастриксин — эндопептидаза, гидролизующая связи, образованные карбоксильными группами дикарбоновых аминокислот.

Двенадцатиперстная и тонкая кишка

Покинув желудок, пища подвергается действию панкреатического сока, кишечного сока и желчи. Сок поджелудочной железы содержит проферменты: трипсиноген, химотрипсиноген, прокарбоксипептидазы и проэластазу. В кишечном соке активны дипептидазы и аминопептидазы, заканчивающие переваривание белков.

Секретин стимулирует выделение жидкой части панкреатического сока, богатой HCO₃⁻. Аминокислоты химуса вызывают освобождение холецистокинина-панкреозимина; он стимулирует секрецию части панкреатического сока, богатой проферментами, и секрецию желчи. pH в двенадцатиперстной кишке повышается до 7,0–7,5.

Трипсиноген подвергается частичному протеолизу под действием энтеропептидазы. От профермента отделяется гексапептид Вал–Асп–Асп–Асп–Асп–Лиз; формируется активный центр трипсина. Трипсин специфичен к связям, образованным карбоксильными группами лизина и аргинина. Он осуществляет аутокатализ и активирует химотрипсиноген, проэластазу и прокарбоксипептидазы.

Химотрипсин образуется из химотрипсиногена при участии трипсина, расщепляющего связь между аргинином-15 и изолейцином-16, и промежуточных активных форм химотрипсина, выстригающих два дипептида. Три фрагмента удерживаются дисульфидными связями. Фермент специфичен к пептидным связям, образованным карбоксильными группами фенилаланина, тирозина и триптофана.

Эластаза активируется трипсином из проэластазы и гидролизует связи, образованные карбоксильными группами аланина, пролина и глицина. Карбоксипептидазы — экзопептидазы C-конца: карбоксипептидаза A отщепляет алифатические и ароматические аминокислоты, B — остатки лизина и аргинина. Аминопептидазы отщепляют N-концевые аминокислоты; дипептидазы гидролизуют дипептиды. Небольшое количество пептидов пиноцитозом попадает в энтероциты и гидролизуется лизосомальными протеазами.

Всасывание аминокислот

Для всасывания аминокислот имеется не менее пяти транспортных систем: для больших нейтральных алифатических и ароматических аминокислот; для малых нейтральных аминокислот; для основных аминокислот; для кислых аминокислот; для глицина, пролина и гидроксипролина.

Всасывание происходит при участии Na⁺-зависимого транспорта. Na⁺,K⁺-АТФаза поддерживает низкую внутриклеточную концентрацию Na⁺. Переносчик апикальной мембраны связывает аминокислоту и Na⁺ и переносит их в клетку по градиенту концентрации ионов натрия.

В транспорте участвует глутатионовая система: глутатион — γ-глутамил-цистеинил-глицин. Под действием γ-глутамилтрансферазы аминокислота соединяется с γ-глутамильной группой глутатиона на наружной поверхности мембраны, переносится в клетку; глутатион распадается и затем ресинтезируется.

Возрастные особенности

Сразу после рождения кислотность желудочного сока около pH 6,0; в первые 6–12 часов она снижается до pH 1–2. К концу первой недели pH повышается до 5,0–6,0, к концу первого года снижается до 3,0–4,0. В 4–7 лет pH в среднем составляет 2,5; затем достигает взрослых величин — 1,5–2,0. У грудных детей кислотность желудочного сока обеспечивается преимущественно молочной кислотой.

Протеолитическая активность желудочного сока к концу первого года возрастает в 3 раза, но остаётся вдвое ниже, чем у взрослых. Основной фермент желудка грудных детей — реннин: синтезируется как прореннин, активируется Ca²⁺, имеет оптимум pH 3–4, расщепляет казеин на пептиды и параказеин. Параказеин при наличии Ca²⁺ створаживается и задерживается в желудке.

Активность ферментов поджелудочной железы и слизистой оболочки кишечника у детей снижена; за первый год она увеличивается в 2–10 раз. У грудных детей всасывается около 98% поступающих аминокислот. Возможно всасывание пептидов и низкомолекулярных белков: иммуноглобулины молозива и грудного молока обеспечивают пассивный иммунитет, но это может способствовать развитию аллергических реакций на пищевые белки.

Гниение белков в толстом кишечнике

Процессу гниения в толстом кишечнике под действием ферментов гнилостной микрофлоры подвергаются не полностью расщепившиеся белки и отдельные не всосавшиеся аминокислоты.

При ухудшении всасывания аминокислот, при избытке белковой пищи, при нарушении деятельности пищеварительных желёз недопереваренные фрагменты белков достигают толстого кишечника, где подвергаются воздействию кишечной микрофлоры. Этот процесс получил название гниение белков в кишечнике. Гниение белков также активируется при снижении перистальтики кишечника — запорах.

Продукты гниения белков

При гниении белков образуется большое количество газообразных и негазообразных веществ. К продуктам гниения относятся CO₂, CH₄, NH₃, H₂S, меркаптаны, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, диамины и вещества циклической структуры.

Диамины образуются при декарбоксилировании диаминокислот. К ним относятся кадаверин и путресцин; диамины могут выводиться из кишечника или обезвреживаться в печени.

При гниении белков образуются токсичные циклические продукты: гниение тирозина ведёт к появлению крезола и фенола, гниение триптофана сопровождается образованием скатола и индола.

К токсичным продуктам относятся также пиперидин, пирролидин, сероводород и метилмеркаптан. Одновременно могут образовываться нейромедиаторы: серотонин, гистамин, октопамин и тирамин.

• серотонин влияет на мозговое кровообращение, изменяя тонус сосудов, и участвует в патогенезе мигрени;
• октопамин вызывает изменения на ЭЭГ, хлопающий тремор и извращение сна;
• тирамин способен провоцировать гипертензию.

Поступление продуктов гниения в печень

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

Выделяют несколько вариантов обезвреживания токсичных продуктов гниения белков:

1. синтез нетоксичной мочевины из чрезвычайно токсичного NH₃;
2. микросомальное окисление токсичных веществ при участии ферментов монооксигеназ;
3. образование парных нетоксичных соединений путём присоединения к обезвреживаемым продуктам серной кислоты, глюкуроновой кислоты или глицина.

Микросомальное окисление

Микросомальное окисление — это последовательность реакций с участием оксигеназ и НАДФН, приводящих к внедрению атома кислорода в состав неполярной молекулы и появлению у неё гидрофильности.

Реакции осуществляются ферментами, расположенными на мембранах эндоплазматического ретикулума. Ферменты организуют короткую цепь, которая заканчивается цитохромом P450. Цитохром P450 включает один атом кислорода в молекулу субстрата, а другой — в молекулу воды.

Цель микросомального окисления заключается в увеличении реакционной способности молекулы и возможности её вступить в реакцию конъюгации, а также в придании ей гидрофильности, что способствует выведению с мочой и препятствует накоплению в нервной и жировой ткани.

Конъюгация

Для маскировки токсичных групп и придания большей гидрофильности существует процесс конъюгации — связывания токсичной молекулы с очень полярным соединением. В феноле токсична OH-группа.

В конъюгации участвуют глутатион, серная, глюкуроновая и уксусная кислоты, глицин и глутамин. Серная кислота участвует в активной форме ФАФС — фосфоаденозинфосфосульфата; глюкуроновая кислота — в активной форме УДФ-глюкуроновой кислоты. Уксусная кислота находится в виде ацетил-SКоА.

Глицин, взаимодействуя с бензойной кислотой, образует гиппуровую кислоту. На этой реакции основана проба Квика для оценки антитоксической функции печени. Более современная антипириновая проба характеризует активность микросомального окисления в печени.

Образование животного индикана

Примером реакции обезвреживания веществ является превращение индола в животный индикан. Сначала индол окисляется с участием цитохрома P450 до индоксила, затем конъюгирует с серной кислотой с образованием индоксилсульфата и далее его калиевой соли — животного индикана.

При повышенном поступлении индола из толстого кишечника образование индикана в печени усиливается, далее он поступает в почки и выводится с мочой. По концентрации животного индикана в моче можно судить об интенсивности процессов гниения белка в кишечнике.

Особенности у грудных детей

У новорождённых детей гнилостные процессы отсутствуют. В кишечнике грудного ребёнка отсутствует гнилостная микрофлора; преобладает бродильная микрофлора — кишечная палочка, ацидофильная флора и бифидофлора. Субстратом для бифидофлоры служат олигосахариды грудного молока.

У взрослых людей усиление гнилостных процессов наблюдается при снижении активности протеолитических ферментов желудка и кишечника, снижении моторики кишечника, дисбактериозах и преобладании в пищевом рационе неполноценных белков.

Динамическое состояние белков

Белки тканей организма постоянно обновляются: одновременно идут процессы синтеза и распада белковых молекул. В здоровом организме скорость распада белка соответствует скорости его синтеза, поэтому сохраняется динамическое равновесие и происходит самообновление белков.

Скорость обновления белков разных органов неодинакова. Белки крови, слизистой оболочки кишечника и печени имеют период полураспада около 10 суток; белки кожи и мышц обновляются медленнее. У здорового мужчины массой 70 кг скорость распада и синтеза белка составляет около 500 г в сутки.

Катепсины

Катепсины — тканевые протеолитические ферменты, осуществляющие распад белков. Они обнаружены во всех тканях; одни катепсины находятся в лизосомах, другие — в цитоплазме. Лизосомальные катепсины активны в кислой среде (pH 4,5–5,5), представлены эндопептидазами и экзопептидазами. В активных центрах встречаются остатки цистеина, аспарагиновой кислоты и серина.

Известны катепсины A, B, D, H, N и другие. Катепсин D по действию подобен пепсину, катепсин H особенно активен в печени, катепсин N обладает коллагенолитической активностью.

Катепсины обеспечивают:

• постоянное обновление белков тканей;
• разрушение дефектных и денатурированных белков (перед этим белок может быть помечен убиквитином);
• реконструктивную активацию некоторых белков;
• мобилизацию белковых депо при голодании, кровопотере и интоксикации.

Аутолиз тканей и повреждение лизосом

Лизосомальные катепсины заключены в лизосомах. Лизосомальные гидролазы расщепляют макромолекулы до мономеров. При гибели клетки происходит выход лизосомальных ферментов; поэтому повреждение лизосом с выходом катепсинов и других гидролаз приводит к протеолизу собственных клеточных структур — аутолизу тканей.

Источники аминокислот

Аминокислоты поступают в общий аминокислотный пул из трёх основных источников:

1. из крови — после переваривания и всасывания белков пищи (примерно одна треть пула);
2. при распаде собственных тканевых белков;
3. путём синтеза заменимых аминокислот в организме.

Основные пути расходования аминокислот

1. синтез белков и пептидов;
2. синтез азотсодержащих небелковых соединений: пуринов, креатинина, биогенных аминов, фосфолипидов;
3. использование углеродного скелета для получения энергии с образованием CO₂ и H₂O;
4. глюконеогенез;
5. образование кетоновых тел и липидов.

По дальнейшей судьбе углеродного скелета аминокислоты делят на глюкогенные и кетогенные. Глюкогенные аминокислоты превращаются в пируват или метаболиты цикла трикарбоновых кислот (оксалоацетат, фумарат, α-кетоглутарат) и при голодании могут использоваться для синтеза глюкозы. Лизин и лейцин — кетогенные аминокислоты: через ацетил-КоА они дают кетоновые тела, жирные кислоты и холестерин. Фенилаланин, тирозин, изолейцин и триптофан относятся к смешанным.

Виды дезаминирования

Дезаминирование — удаление аминогруппы из аминокислоты с образованием аммиака и соответствующего продукта. Различают внутримолекулярное, восстановительное, гидролитическое и окислительное дезаминирование. При внутримолекулярном образуется ненасыщенная кислота, при восстановительном — насыщенная кислота, при гидролитическом — гидроксикислота, при окислительном — кетокислота. Окислительное дезаминирование является основным путём катаболизма большинства аминокислот.

Окислительное дезаминирование

При окислительном дезаминировании от аминокислоты отщепляется аминогруппа, образуются аммиак (NH₃) и соответствующая кетокислота. Различают прямое и непрямое окислительное дезаминирование.

Аминокислотоксидазы и прямое дезаминирование

При прямом дезаминировании реакцию осуществляет один фермент. В аэробных условиях аминокислотоксидазы окисляют аминокислоту до иминокислоты; затем иминокислота гидролизуется с образованием кетокислоты и NH₃, а кислород восстанавливается до H₂O₂.

D-Аминокислотоксидаза содержит ФАД, а L-аминокислотоксидаза — ФМН. Активность L-аминокислотоксидаз в тканях невысока, оптимум их действия лежит в щелочной области (около pH 10). К окислительным ферментам также относят глициноксидазу.

Глутаматдегидрогеназа

Прямое анаэробное окислительное дезаминирование характерно только для глутаминовой кислоты. Его катализирует глутаматдегидрогеназа (ГДГ) — олигомерный аллостерический фермент митохондрий, использующий НАД⁺ или НАДФ⁺. Реакция обратима:

глутамат + H₂O + НАД(P)⁺ ⇄ α-кетоглутарат + NH₃ + НАД(P)Н + H⁺.

ГДГ находится в митохондриях всех клеток, кроме мышечных. Реакция связана с обменом энергии: НАДН используется в дыхательной цепи, а α-кетоглутарат — в цикле трикарбоновых кислот. Фермент активируется АДФ и тормозится избытком АТФ и НАДН. В печени образующийся аммиак используется для синтеза мочевины, в почках — для образования аммония.

Непрямое окислительное дезаминирование (трансдезаминирование)

Большинство аминокислот дезаминируется непрямым путём, который состоит из двух этапов. Сначала аминогруппа переносится на α-кетоглутарат с образованием глутамата и соответствующей кетокислоты. Затем глутамат дезаминируется глутаматдегидрогеназой с образованием α-кетоглутарата и NH₃. Совокупность этих реакций называют трансдезаминированием; около трети аминокислот включается в этот путь.

Другие виды дезаминирования

Во внутримолекулярном дезаминировании участвуют гистидин, серин, треонин и цистеин. Например, из гистидина образуются уроканиновая кислота и NH₃, а серин через иминокислоту превращается в пировиноградную кислоту с выделением NH₃.

При восстановительном дезаминировании образуется насыщенная кислота, при гидролитическом — гидроксикислота. Эти реакции дополняют окислительное дезаминирование в обмене аминокислот.

Трансаминирование

Трансаминирование — ферментативный процесс переноса NH₂-группы с аминокислоты на α-кетокислоту с образованием новой аминокислоты и новой кетокислоты. В реакции участвуют ферменты трансаминазы (аминотрансферазы) и витамин B₆. В качестве кетокислот-акцепторов чаще всего используются пировиноградная, щавелевоуксусная и α-кетоглутаровая кислоты.

В организме обычно используется α-кетоглутаровая кислота: принимая аминогруппу, она превращается в глутамат. Одновременно исходная аминокислота превращается в соответствующую кетокислоту.

Аминотрансферазы и кофермент витамина B₆

Аминотрансферазы — сложные ферменты, в качестве кофермента содержащие пиридоксальфосфат — активную форму витамина B₆. Кофермент участвует в трансаминировании в двух формах: пиридоксальфосфата и пиридоксаминофосфата.

В тканях насчитывают около десяти аминотрансфераз. Они обладают групповой специфичностью и вовлекают в реакции практически все аминокислоты, кроме пролина, лизина и треонина. Наиболее активны аланинаминотрансфераза (АлАТ, или глутамикопировиноградная трансаминаза) и аспартатаминотрансфераза (АсАТ, или глутамико-щавелевоуксусная трансаминаза).

Механизм трансаминирования

Перенос аминогруппы совершается в две стадии. Сначала к пиридоксальфосфату присоединяется первая аминокислота, отдаёт аминогруппу, превращается в кетокислоту и отделяется. Аминогруппа переходит на кофермент, образуется пиридоксаминофосфат. Затем присоединяется другая кетокислота, забирает аминогруппу и превращается в новую аминокислоту; пиридоксальфосфат регенерирует.

В превращениях пиридоксальфосфата образуются промежуточные соединения — шиффовы основания: альдимин и кетимин. После отщепления воды образуется иминовая связь между аминокислотой и пиридоксальфосфатом; затем происходит перемещение двойной связи и гидролиз с отделением кетокислоты. Вторая стадия идёт в обратном порядке.

Биологическое значение и особая роль α-кетоглутарата

В тканях осуществляется поток избыточных аминогрупп на один общий акцептор — α-кетоглутаровую кислоту. В итоге образуется большое количество глутаминовой кислоты. Поэтому глутамат можно рассматривать как коллектор аминогрупп аминокислот.

• аминогруппа удаляется из аминокислоты без выделения токсичного аммиака;
• безазотистый остаток аминокислоты может включаться в цикл Кребса с выделением энергии;
• из кетоаналогов синтезируются заменимые аминокислоты: из пирувата — аланин, из оксалоацетата — аспартат, из α-кетоглутарата — глутамат;
• реакции помогают оптимизировать соотношение аминокислот в клетке и направить их углеродные скелеты на энергетический обмен, глюконеогенез или кетогенез.

Глутамат является одной из транспортных форм аминного азота в гепатоциты и способен реагировать со свободным аммиаком, обезвреживая его. Сопряжённые реакции трансаминирования и дезаминирования создают поток аминного азота из периферических клеток в печень для синтеза мочевины и в почки для синтеза аммонийных солей.

Непрямое дезаминирование аминокислот

Для большинства аминокислот реакции трансаминирования и окислительного дезаминирования тесно связаны друг с другом. Сначала аминокислота вступает в реакцию трансаминирования с α-кетоглутаровой кислотой. Образовавшаяся глутаминовая кислота затем подвергается окислительному дезаминированию под действием глутаматдегидрогеназы — высокоактивного митохондриального фермента. Сочетание этих двух реакций называется непрямым дезаминированием, или трансдезаминированием.

В результате образуются аммиак и α-кетоглутаровая кислота, которая вновь может принимать аминогруппы. В митохондриях печени аммиак используется для синтеза мочевины, а в эпителии канальцев почек — для образования аммония.

При интенсивной работе мышц возможен альтернативный путь: глутамат при участии АсАТ реагирует с оксалоацетатом с образованием аспартата; аспартат передаёт аминогруппу на ИМФ с образованием АМФ, который дезаминируется с выделением аммиака. Этот процесс связывает ионы H⁺ и препятствует закислению цитозоля мышечных клеток.

Клиническое значение определения активности трансаминаз

В сыворотке крови определяют активность двух аминотрансфераз — аланинаминотрансферазы (АЛТ) и аспартатаминотрансферазы (АСТ). При заболеваниях сердечной мышцы и печени активность обоих ферментов может возрастать, но при поражении миокарда особенно увеличивается активность АСТ, а при гепатитах — АЛТ.

Определение АЛТ и АСТ используют для дифференциальной диагностики заболеваний печени и миокарда, оценки глубины поражения и контроля эффективности лечения. Коэффициент де Ритиса рассчитывают как АсАТ/АлАТ = 1,33: при инфаркте миокарда он увеличивается, при заболеваниях печени снижается.

Активность АСТ может повышаться в 2–20 раз примерно в 95% случаев инфаркта миокарда, однако фермент обладает низкой органной специфичностью: его активность также высока в скелетных мышцах, печени и эритроцитах. Поэтому результаты оценивают вместе с клиническими данными и другими показателями.

Декарбоксилирование аминокислот

Декарбоксилирование аминокислот — ферментативный процесс удаления карбоксильной группы аминокислоты с высвобождением CO₂ и образованием амина. Реакцию катализируют декарбоксилазы, коферментом которых является пиридоксальфосфат — производное витамина B₆.

Наиболее активно в декарбоксилирование включаются гистидин, тирозин, глутамат и триптофан. Образующиеся амины называют биогенными аминами; они влияют на тонус сосудов, выполняют нейромедиаторные функции и участвуют в воспалительных реакциях.

Гистамин

Гистамин образуется при декарбоксилировании гистидина. Он синтезируется и накапливается в секреторных гранулах тучных клеток лёгких, кожи и печени, а также в базофилах и эозинофилах. В кровь гистамин выделяется при повреждении ткани, ударе, электрическом раздражении и при аллергической реакции.

Гистамин расширяет артериолы и капилляры, снижает артериальное давление, повышает проницаемость капилляров и вызывает отёк. Он увеличивает тонус гладких мышц бронхов, что может привести к спазму и удушью, стимулирует секрецию слюны и соляной кислоты желудочного сока. В высокой концентрации гистамин является медиатором воспалительных и аллергических реакций.

Серотонин

Серотонин образуется при декарбоксилировании 5-гидрокситриптофана. Его синтез происходит в тучных клетках кожи, лёгких и печени, в селезёнке, центральной нервной системе, хромаффинных клетках кишечника, некоторых ядрах подкорковых структур и тромбоцитах.

Серотонин стимулирует сокращение гладких мышц желудочно-кишечного тракта и повышает перистальтику. Он вызывает сокращение гладких мышц сосудов и повышение артериального давления, участвует в терморегуляции, механизмах сна и памяти, является источником для синтеза мелатонина и влияет на эмоциональные реакции. В центральной нервной системе серотонин выполняет функции тормозного медиатора, а в периферических нервных окончаниях участвует в возникновении боли и зуда.

Катехоламины

Катехоламины — дофамин, норадреналин и адреналин — синтезируются из тирозина. Тирозин сначала окисляется до ДОФА, затем ДОФА декарбоксилируется дофамин; последующее окисление приводит к образованию норадреналина, а метилирование — адреналина.

• Дофамин — возбуждающий медиатор; при его дефиците развивается болезнь Паркинсона, проявляющаяся адинамией, ригидностью и тремором.
• Норадреналин в основном выполняет нейромедиаторные функции.
• Адреналин вызывает спазм сосудов, повышает артериальное давление, стимулирует работу сердца и является гормоном.

Гамма-аминомасляная кислота и полиамины

ГАМК образуется при декарбоксилировании глутаминовой кислоты. Синтез происходит преимущественно в центральной нервной системе, в подкорковых образованиях головного мозга. ГАМК является тормозным медиатором, улучшает кровоснабжение головного мозга и активирует окислительные процессы в нём.

Полиамины — спермин и спермидин — синтезируются из орнитина и метионина и участвуют в регуляции трансляции, транскрипции и репликации.

Распад биогенных аминов в тканях

Биогенные амины обладают высокой активностью, поэтому быстро инактивируются в тканях. К основным направлениям их распада относятся окисление, дезаминирование и метилирование. Главным способом инактивации является окислительное дезаминирование под действием аминооксидаз — моноаминооксидаз и полиаминооксидаз.

Окислительное дезаминирование

Моноаминооксидаза катализирует окислительное дезаминирование биогенного амина с участием ФАД. Образуются имин, затем альдегид и свободный аммиак; при переносе электронов на кислород образуется H₂O₂. Моноаминооксидаза обнаружена во многих тканях и особенно активна в печени, желудке, почках, кишечнике и нервной ткани.

Ингибиторы моноаминооксидазы применяются в качестве терапевтических средств.

Метилирование

Метилирование характерно для биогенных аминов, содержащих гидроксильную группу, прежде всего дофамина и серотонина. В реакции участвует активная форма метионина — S-аденозилметионин; образуются метилированная форма амина и S-аденозилгомоцистеин.

Конечные продукты азотистого обмена

При распаде аминокислот и других азотистых соединений образуются аммиак и безазотистые остатки. Основными конечными продуктами азотистого обмена являются мочевина, соли аммония и мочевая кислота. Мочевина — нетоксичное нейтральное соединение, которое синтезируется главным образом в печени. Аммонийные соли образуются преимущественно в почках и участвуют в поддержании кислотно-основного равновесия.

Основные источники аммиака

Аммиак непрерывно образуется во всех органах и тканях организма. Наиболее активными его продуцентами являются нервная ткань, печень, кишечник и мышцы.

• внутримолекулярное дезаминирование гистидина и катаболизм серина, треонина и глицина в печени;
• окислительное дезаминирование глутаминовой кислоты во всех тканях, кроме мышечной, особенно интенсивно в печени и почках;
• дезаминирование амидов глутаминовой и аспарагиновой кислот в печени и почках;
• катаболизм биогенных аминов;
• жизнедеятельность бактерий толстого кишечника;
• распад пуриновых и пиримидиновых оснований и нуклеотидов;
• частичное дезаминирование АМФ в мышцах при интенсивной нагрузке.

Обезвреживание и транспорт аммиака

Аммиак очень токсичен. Он связывает α-кетокислоты, прежде всего α-кетоглутарат, блокирует включение углеродных скелетов в цикл Кребса и нарушает энергетический обмен. В нервной ткани он изменяет соотношение глутамата и глутамина, защелачивает ткани и нарушает транспорт ионов. Поэтому свободная концентрация аммиака поддерживается на низком уровне.

Временное связывание аммиака происходит несколькими путями: восстановительным аминированием α-кетокислот, амидированием белков, синтезом глутамина и аспарагина. В печени аммиак используется также для образования карбамоилфосфата — первого соединения орнитинового цикла. Конечные продукты обезвреживания аммиака — соли аммония и мочевина.

Главным способом связывания аммиака является синтез глутамина. Реакция идёт с затратой АТФ: глутамат + NH₃ + АТФ → глутамин. Глутамин — нетоксичная транспортная форма аммиака; он переносит азот из мышц и нервной ткани в печень и почки. В печени его азот используется для синтеза мочевины, а в почках — для образования аммонийных солей. Синтез и использование глутамина у детей протекают более активно.

Другой важный транспортный путь — глюкозо-аланиновый цикл. В мышце пируват принимает аминогруппу и превращается в аланин. Аланин поступает с кровью в печень, где аминогруппа переносится на глутамат, а образующийся пируват используется для глюконеогенеза. Аммиак, освобождённый из глутамата, направляется на синтез мочевины.

Аммонийные соли и их выведение

В эпителии канальцев почек глутаминаза гидролизует глутамин с образованием глутамата и аммиака. Глутамат затем дезаминируется глутаматдегидрогеназой. Аммиак диффундирует в просвет канальца, соединяется с ионами H⁺ и образует NH₄⁺. Ион аммония связывается с фосфатными, хлоридными, сульфатными и органическими анионами и выводится в составе аммонийных солей.

Образование аммонийных солей — важный механизм регуляции кислотно-основного состояния. При ацидозе активность глутаминазы и выведение аммония увеличиваются, при алкалозе уменьшаются. Около 10% всего аммиака выводится почками в виде аммонийных солей. Для взрослых указано 0,5–1,2 г аммонийных солей в сутки, что составляет около 3,5% выводимого азота; у новорождённых доля аммонийного азота достигает 8,5%.

Биосинтез мочевины: орнитиновый цикл

Синтез мочевины происходит главным образом в печени. Первые две реакции идут в митохондриях, три последующие — в цитозоле; для переноса цитруллина и орнитина через митохондриальную мембрану существуют специальные переносчики.

1. Карбамоилфосфатсинтетаза I: NH₄⁺ + CO₂ + 2 АТФ → карбамоилфосфат.
2. Орнитинкарбамоилтрансфераза: карбамоилфосфат + орнитин → цитруллин.
3. Аргининосукцинатсинтетаза: цитруллин + аспарагиновая кислота + АТФ → аргининосукцинат.
4. Аргининосукцинатлиаза: аргининосукцинат → аргинин + фумарат.
5. Аргиназа: аргинин + H₂O → орнитин + мочевина.

Для образования одной молекулы мочевины используются один ион NH₄⁺, одна молекула CO₂ и аминогруппа одной молекулы аспарагиновой кислоты. На цикл затрачиваются три молекулы АТФ, или четыре макроэргические связи. Мочевина нетоксична и нейтральна; в почках она участвует в создании осмотического градиента.

Связь орнитинового цикла с циклом Кребса

Фумарат, образующийся при расщеплении аргининосукцината, включается в цикл Кребса и превращается через малат в оксалоацетат. Оксалоацетат трансаминируется с образованием аспартата, который вновь поступает в орнитиновый цикл и отдаёт второй атом азота мочевине. Цикл Кребса, в свою очередь, обеспечивает орнитиновый цикл энергией в виде АТФ.

Таким образом, орнитиновый цикл и цикл Кребса связаны через фумарат, малат, оксалоацетат и аспартат. Один атом азота мочевины происходит из свободного аммиака, второй — из аминогруппы аспартата, а углерод карбонильной группы — из CO₂.

Экскреция мочевины и возрастные особенности

Практически весь аммиак удаляется из организма через почки в виде мочевины, синтезированной в печени, и аммонийных солей, образованных в эпителии почечных канальцев. Точная суточная масса мочевины в приведённых материалах не указана; вместо неё дана доля конечных азотистых продуктов в общем выводимом азоте.

У детей повышена доля азота аминокислот и креатинина. У младенцев синтез мочевины может быть снижен из-за незрелости печени и активного синтеза белков и нуклеиновых кислот в период роста. При нарушении синтеза мочевины после белковой пищи возможны рвота и судороги; дробное поступление белка уменьшает выраженность этих проявлений.

Нарушения синтеза и выведения мочевины

Наследственные гипераммониемии возникают при снижении активности одного из ферментов орнитинового цикла. Основные соответствия между ферментным дефектом и нарушением приведены в таблице:

Наиболее часто встречается гипераммониемия типа II при дефиците орнитинкарбамоилтрансферазы; дефект сцеплен с X-хромосомой, а при полном отсутствии фермента проявляется в первые 48 часов жизни. В крови, спинномозговой жидкости и моче накапливаются глутамин и аммиак.

При гипераммониемии появляются сонливость, отказ от пищи, рвота, беспокойство, судороги, нарушение координации, тахипноэ и дыхательный алкалоз; возможны печёночная недостаточность и кровоизлияния. Клинические симптомы возникают при увеличении концентрации аммиака в 2–3 раза, а при тяжёлой гипераммониемии развиваются кома и смерть; хроническое повышение аммиака может приводить к задержке умственного развития.

Приобретённая гипераммониемия развивается при заболеваниях печени, вирусном поражении, циррозе и усиленном поступлении аммиака из кишечника. При хронической почечной недостаточности азотистые продукты задерживаются в организме, а токсическое действие обусловлено совокупностью многих веществ. Общий принцип коррекции наследственных нарушений — ограничение белка; применяются глутамат и фенил-ацетат.

Аммиак как токсичное соединение

Аммиак непрерывно образуется в тканях при распаде аминокислот, аминов и нуклеотидов. Он должен быстро связываться, поскольку нарушает энергетический обмен, связывая α-кетоглутарат и препятствуя его включению в цикл Кребса. В нервной ткани изменение обмена глутамата и глутамина, защелачивание тканей и нарушение транспорта ионов могут приводить к тяжёлым последствиям.

В тканях действуют временные пути связывания аммиака: восстановительное аминирование α-кетокислот, амидирование белков и синтез глутамина. Эти реакции переводят аммиак в аминокислоты, белковые амидные группы или нетоксичную транспортную форму.

Восстановительное аминирование α-кетокислот

Восстановительное аминирование — присоединение аммиака к α-кетокислоте одновременно с её восстановлением и образованием аминокислоты. Основное значение имеет реакция α-кетоглутарата с аммиаком при участии глутаматдегидрогеназы и НАДФН:

α-Кетоглутарат + NH₃ + NADPH + H⁺ → глутамат + NADP⁺ + H₂O.

Другими акцепторами аммиака могут быть пируват, превращающийся в аланин, и оксалоацетат, превращающийся в аспартат. Реакция обеспечивает быстрое связывание аммиака и синтез заменимых аминокислот.

Амидирование тканевых белков

При амидировании аммиак присоединяется к карбоксильным группам радикалов аспарагиновой и глутаминовой кислот, а также к α-концевым карбоксильным группам белка. Это изменяет структуру, физико-химические свойства и биологическую активность белковых молекул.

Амидирование белков является временным способом связывания аммиака в тканях. В отличие от синтеза глутамина, оно не образует основной транспортной формы аммиака, а временно включает амидный азот в состав белка.

Синтез глутамина

Глутамин образуется из глутамата и аммиака при участии глутаминсинтетазы с затратой АТФ:

Глутамат + NH₃ + АТФ → глутамин + АДФ + P_i.

Синтез глутамина — главный способ обезвреживания аммиака в тканях. Глутамин является нетоксичной транспортной формой азота и переносит аммиак из мышц и нервной ткани в печень и почки.

Особая роль глутамина в организме

• транспортирует аммиак между тканями, печенью и почками;
• передаёт азот для синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов;
• участвует в образовании ГМФ, аспарагина и глюкозамино-6-фосфата;
• обеспечивает перенос аминного азота в нетоксичной форме;
• у детей синтез и использование глутамина протекают активнее, чем у взрослых.

Благодаря образованию большого количества глутамина его концентрация в крови поддерживается на уровне около 0,5–0,7 ммоль/л. В печени амидный азот глутамина используется для синтеза мочевины, а в почках — для образования аммонийных солей.

Глутаминаза почек и образование аммонийных солей

Часть глутамина крови поступает в почки. В клетках почечных канальцев глутаминаза гидролизует его с образованием глутамата и аммиака:

Глутамин + H₂O → глутамат + NH₃.

Глутамат затем дезаминируется глутаматдегидрогеназой с образованием α-кетоглутарата и дополнительного количества аммиака. Аммиак диффундирует в просвет канальца и соединяется с ионами водорода:

NH₃ + H⁺ → NH₄⁺.

Ионы аммония связываются с фосфатами, хлоридами, сульфатами и органическими анионами первичной мочи и выводятся в составе аммонийных солей. Процесс сопровождается реабсорбцией ионов натрия и калия и участвует в регуляции кислотно-основного состояния.

Адаптивное изменение активности глутаминазы при ацидозе

При ацидозе увеличиваются синтез и активность глутаминазы почек. Это повышает образование NH₃, его связывание с H⁺ в форме NH₄⁺ и экскрецию аммонийных солей. В результате усиливается удаление протонов и уменьшается степень ацидоза.

Таким образом, глутамин выполняет двойную функцию: связывает и транспортирует токсичный аммиак, а в почках служит источником аммиака для выведения кислотной нагрузки.

Фенилаланин и тирозин

Фенилаланин — незаменимая ароматическая аминокислота: ткани человека не способны синтезировать её бензольное кольцо. Тирозин считается заменимой аминокислотой, поскольку образуется из фенилаланина; поэтому потребность в тирозине возрастает при недостаточном поступлении фенилаланина.

Превращение фенилаланина в тирозин

Основной путь обмена фенилаланина — гидроксилирование в тирозин при участии фенилаланин-4-монооксигеназы и тетрагидробиоптерина. Реакция протекает с использованием кислорода; один атом кислорода включается в молекулу тирозина, второй превращается в воду.

Окисленная форма кофактора — дигидробиоптерин — восстанавливается до активного тетрагидробиоптерина дигидробиоптеринредуктазой с участием НАДФН.

Использование тирозина

Тирозин используется для синтеза нескольких биологически важных соединений:

• катехоламинов: тирозин → ДОФА → дофамин → норадреналин → адреналин;
• тиреоидных гормонов: йодированные остатки тирозина в тиреоглобулине участвуют в образовании тироксина и трийодтиронина;
• меланинов: в пигментных клетках тирозин превращается в ДОФА и далее в дофахинон, из которого образуются эумеланины и феомеланины.

Ключевой фермент меланогенеза — медьсодержащая тирозиназа. При образовании феомеланинов дополнительным участником реакции является цистеин.

Распад тирозина

Катаболизм тирозина начинается трансаминированием с образованием 4-гидроксифенилпирувата. Далее последовательно образуются гомогентизиновая кислота, малеилацетоацетат и фумарилацетоацетат:

Тирозин → 4-гидроксифенилпируват → гомогентизиновая кислота → малеилацетоацетат → фумарилацетоацетат → фумарат + ацетоуксусная кислота.

Фумарат может включаться в цикл Кребса и использоваться для глюконеогенеза, а ацетоуксусная кислота — для образования ацетоновых тел. Поэтому тирозин относится одновременно к глюкогенным и кетогенным аминокислотам.

Наследственные нарушения обмена

При фенилкетонурии основой профилактики поражения мозга является раннее ограничение фенилаланина в питании. При албинизме необходима защита от ультрафиолетового излучения; клинические проявления зависят от степени дефекта тирозиназы.

Обмен серина и глицина

Серин и глицин — заменимые аминокислоты, которые постоянно взаимопревращаются. Центральная реакция катализируется серингидроксиметилтрансферазой, зависимой от пиридоксальфосфата:

Серин + ТГФК ⇄ глицин + N⁵,N¹⁰-метилен-ТГФК + H₂O.

В этой реакции серин передаёт одноуглеродный фрагмент тетрагидрофолату. Поэтому обмен серина и глицина связан одновременно с обменом аминокислот и переносом одноуглеродных радикалов.

Глицин используется для синтеза гема, креатина, пуриновых нуклеотидов, глутатиона и конъюгатов желчных кислот, а также может превращаться в пируват. Серин необходим для образования фосфатидилсерина, сфинголипидов и ряда других соединений; при дезаминировании он также превращается в пируват и может использоваться для глюконеогенеза.

Тетрагидрофолиевая кислота и одноуглеродный обмен

Тетрагидрофолиевая кислота (ТГФК) — активная форма фолатов и переносчик одноуглеродных радикалов в различных степенях окисления. Она принимает фрагменты от серина, глицина, гистидина и других соединений и передаёт их в реакции синтеза аминокислот и нуклеотидов.

• N⁵,N¹⁰-метилен-ТГФК образуется при превращении серина в глицин и используется, в частности, при синтезе тимидилата;
• N¹⁰-формил-ТГФК участвует в синтезе пуринового кольца;
• N⁵-метил-ТГФК отдаёт метильную группу при реметилировании гомоцистеина в метионин.

Таким образом, фолатный обмен обеспечивает связь превращений серина и глицина с синтезом ДНК, РНК и метионина.

Обмен метионина и гомоцистеина

Метионин — незаменимая серосодержащая аминокислота. При участии АТФ он превращается в S-аденозилметионин (SAM) — универсальный донор метильных групп. После передачи метильного радикала образуется S-аденозилгомоцистеин, из которого формируется гомоцистеин.

Гомоцистеин имеет два основных пути дальнейшего обмена:

• Реметилирование: гомоцистеин превращается в метионин при участии N⁵-метил-ТГФК и витамина В12 в форме метилкобаламина. При этом регенерируется ТГФК;
• Транссульфурирование: гомоцистеин конденсируется с серином с образованием цистатионина, затем цистатионин распадается до цистеина, α-кетобутирата и аммиака. Ферменты этого пути используют витамин B₆.

Через SAM метионин участвует в метилировании фосфолипидов, белков, нейромедиаторов и нуклеиновых кислот. Нарушение утилизации гомоцистеина приводит к его накоплению — гипергомоцистеинемии.

Обмен цистеина

Цистеин образуется из метионина в реакциях транссульфурирования и используется для синтеза белков, коэнзима A и глутатиона. Глутатион поддерживает восстановительное состояние клетки, обезвреживает перекиси и участвует в конъюгации чужеродных веществ.

При окислении цистеина образуется цистеинсульфиновая кислота, из которой могут формироваться таурин и сульфат. Сульфат активируется до фосфоаденозинфосфосульфата и используется в реакциях сульфатирования. Таурин участвует в образовании конъюгированных желчных кислот и особенно важен для нервной ткани и сетчатки.

При десульфурировании цистеина образуется пируват, поэтому углеродный скелет цистеина может включаться в энергетический обмен и глюконеогенез.

Витамин В12 и недостаточность фолиевой кислоты

Витамин В12 входит в состав метилкобаламина — кофактора метионинсинтазы — и аденозилкобаламина — кофактора метилмалонил-КоА-мутазы. Поэтому он необходим для реметилирования гомоцистеина, обмена пропионата и жирных кислот с нечётным числом атомов углерода. Через фолатный обмен В12 также связан с синтезом тимидилата и пуриновых нуклеотидов.

При недостаточности фолиевой кислоты нарушается образование активных производных ТГФК и синтез ДНК. Возникает мегалобластная анемия, а в крови повышается содержание гомоцистеина. При дефиците В12 дополнительно накапливается метилмалоновая кислота и поражается нервная система; возможны нарушения чувствительности, походки и функции спинного мозга.

Бактериостатическое действие сульфаниламидов

Сульфаниламиды структурно похожи на пара-аминобензойную кислоту (ПАБК), которая необходима бактериям для синтеза фолиевой кислоты. Препараты конкурентно ингибируют дигидроптероатсинтазу и препятствуют включению ПАБК в предшественник фолата.

В результате прекращается образование дигидрофолата и тетрагидрофолата, необходимых для синтеза пуринов, тимидилата и некоторых аминокислот. Бактерии теряют способность к росту и делению — развивается бактериостатический эффект. Избирательность действия связана с тем, что клетки человека не синтезируют фолат из ПАБК, а получают фолиевую кислоту с пищей.

Внутриклеточный пул аминокислот

Аминокислоты в клетке поступают из пищи, образуются при распаде собственных белков или синтезируются из промежуточных продуктов обмена. Внутриклеточный пул используется для синтеза белков, биогенных аминов и гормонов, нуклеотидов, креатина и карнитина, а также для получения энергии.

При избытке аминокислот они не запасаются в специальном депо: после удаления аминогруппы их углеродные скелеты включаются в обмен углеводов и липидов. Они могут окисляться в цикле трикарбоновых кислот, использоваться для синтеза глюкозы, жирных кислот, холестерина или кетоновых тел.

Связь обмена аминокислот с углеводным и жировым обменом

После трансаминирования или дезаминирования аминокислоты превращаются в α-кетокислоты. Их углеродные скелеты входят в обмен в виде пирувата, оксалоацетата, α-кетоглутарата, фумарата, сукцинил-КоА, ацетил-КоА или ацетоацетил-КоА.

Гликогенные аминокислоты дают пируват или метаболиты цикла Кребса, из которых может образовываться оксалоацетат и далее глюкоза в глюконеогенезе. Поэтому они особенно важны при голодании и длительной физической нагрузке.

Кетогенные аминокислоты превращаются в ацетил-КоА или ацетоацетил-КоА. Эти продукты используются для синтеза кетоновых тел, жирных кислот и холестерина. Из ацетил-КоА у человека не образуется глюкоза в чистом виде.

Гликогенные, кетогенные и смешанные аминокислоты

Изолейцин является смешанной аминокислотой, поскольку его углеродный скелет даёт и сукцинил-КоА, и ацетил-КоА. К полностью кетогенным аминокислотам относятся лейцин и лизин.

Заменимые и незаменимые аминокислоты

Незаменимые аминокислоты не синтезируются в организме в достаточном количестве и должны поступать с пищей. К ним относят валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин и гистидин; аргинин особенно необходим в период роста и поэтому рассматривается как условно незаменимый.

Заменимые аминокислоты образуются из промежуточных продуктов гликолиза и цикла Кребса. К ним относятся аланин, аспартат, глутамат, глутамин, серин, глицин, аспарагин и другие. Тирозин может образовываться из фенилаланина, а цистеин — из метионина, поэтому они относятся к условно заменимым.

Биосинтез аминокислот из углеводов

Углеродные скелеты заменимых аминокислот образуются из метаболитов гликолиза и цикла Кребса. Азот присоединяется главным образом реакциями трансаминирования, восстановительного аминирования и амидирования.

• Пируват при трансаминировании превращается в аланин;
• 3-фосфоглицерат через 3-фосфогидроксипируват и фосфосерин даёт серин, а серин может превращаться в глицин; из серина и серосодержащего фрагмента метионина образуется цистеин;
• α-Кетоглутарат превращается в глутамат, из которого синтезируются глутамин и пролин; через промежуточные соединения обмена глутамата связан также с образованием аргинина;
• Оксалоацетат трансаминируется в аспартат, а из аспартата при участии глутамина и АТФ образуется аспарагин.

Таким образом, углеводный обмен поставляет углеродные скелеты аминокислот, а аминокислотный обмен возвращает углерод в гликолиз, глюконеогенез и цикл Кребса. Незаменимые аминокислоты человек не может синтезировать из глюкозы и получает с пищей.

Нуклеиновые кислоты как полимерные соединения

Нуклеиновые кислоты — полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Нуклеотиды соединяются фосфатными остатками в длинные полинуклеотидные цепи.

Нуклеозид состоит из азотистого основания и пентозы. Нуклеотид представляет собой нуклеозид, соединённый с одним, двумя или тремя остатками фосфорной кислоты. В цепи нуклеотиды связаны 3′–5′-фосфодиэфирными связями; поэтому у цепи выделяют 5′- и 3′-концы.

Состав нуклеотидов

• Фосфатный остаток — придаёт сахарофосфатному остову отрицательный заряд.
• Пентоза — рибоза в РНК или дезоксирибоза в ДНК.
• Азотистое основание — пуриновое или пиримидиновое.

К пуриновым основаниям относятся аденин и гуанин. К пиримидиновым — цитозин, урацил и тимин. В состав ДНК входят дезоксирибонуклеотиды с аденином, гуанином, цитозином и тимином; в состав РНК — рибонуклеотиды с аденином, гуанином, цитозином и урацилом.

Строение и биологическое значение ДНК

ДНК построена из дезоксирибонуклеотидов. Её молекула обычно состоит из двух полинуклеотидных цепей, направленных антипараллельно. Азотистые основания образуют комплементарные пары: аденин соединяется с тимином, а гуанин — с цитозином. Такая организация обеспечивает сохранение и точное копирование наследственной информации.

Первичная структура ДНК — это последовательность дезоксирибонуклеотидов. Именно в ней записана генетическая информация; её реализация связана с репликацией ДНК и последующим синтезом РНК и белка.

Строение и функции РНК

РНК представляет собой цепь рибонуклеотидов — АМФ, ГМФ, ЦМФ и УМФ, соединённых 5′–3′-фосфодиэфирными связями. В отличие от ДНК, РНК содержит рибозу и урацил и обычно имеет одноцепочечную структуру. Одноцепочечная молекула может формировать участки комплементарного спаривания и сложную пространственную конфигурацию.

• мРНК переносит информацию о структуре белка от ДНК к месту его синтеза;
• рРНК входит в состав рибосом и участвует в их работе;
• тРНК переносит аминокислоты к рибосоме и распознаёт кодоны мРНК с помощью антикодона.

Функции нуклеотидов

• служат мономерами для синтеза ДНК и РНК;
• участвуют в переносе и запасании энергии; наиболее распространённый пример — АТФ;
• обеспечивают протекание реакций синтеза и других клеточных процессов в составе фосфорилированных и активированных форм;
• могут участвовать в регуляции клеточных процессов как сигнальные и регуляторные соединения.

Таким образом, нуклеотиды выполняют не только строительную, но и энергетическую, синтетическую и регуляторную функции.

Биологическое значение нуклеиновых кислот

ДНК хранит и передаёт наследственную информацию. При репликации она служит матрицей для образования дочерних молекул. При транскрипции на ДНК синтезируется РНК, а при трансляции информация мРНК используется для построения белка.

Нуклеиновые кислоты образуют нуклеопротеины. ДНК в комплексе с гистонами формирует хроматин, а РНК вместе с белками входит в состав рибосом. Эти комплексы обеспечивают упаковку генетического материала и реализацию белкового синтеза.

Уровни структурной организации

• Первичная структура — последовательность нуклеотидов в полинуклеотидной цепи.
• Вторичная структура — комплементарное спаривание оснований и формирование двойной спирали ДНК; у РНК — образование спирализованных участков, стеблей и петель.
• Третичная структура — пространственная укладка молекулы: суперспирализация ДНК, её связывание с белками и формирование нуклеосом и хроматина; у РНК — приобретение характерной трёхмерной формы.

В составе нуклеопротеинов нуклеиновые кислоты образуют более сложные надмолекулярные комплексы — хроматин, рибосомы и вирусные частицы.

Видовая специфичность первичной структуры

Первичная структура нуклеиновой кислоты определяется последовательностью нуклеотидов. Для каждого вида характерна своя организация последовательности ДНК, в которой закодированы наследственные признаки и особенности синтеза белков.

Видовая специфичность первичной структуры является основой различий генетической информации между организмами. При этом комплементарность цепей ДНК обеспечивает сохранение этой информации, а последовательность нуклеотидов определяет последовательность РНК и белков.

Основные виды нуклеиновых кислот в тканях

В тканях представлены два основных вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). В клетке они находятся не в свободном виде, а в составе нуклеопротеинов: ДНК — главным образом в хроматине, РНК — в рибосомах и других рибонуклеопротеиновых комплексах.

ДНК хранит наследственную информацию. РНК обеспечивает её реализацию: информационная РНК переносит сведения о строении белка, рибосомная РНК входит в состав рибосом, а транспортная РНК доставляет аминокислоты к месту синтеза белка.

Общая характеристика нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты — высокомолекулярные полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Нуклеотид состоит из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты. В зависимости от пентозы различают рибонуклеотиды с рибозой и дезоксирибонуклеотиды с дезоксирибозой.

Азотистые основания бывают пуриновыми — аденин и гуанин — и пиримидиновыми — цитозин, тимин и урацил. В цепи нуклеотиды соединены 3′–5′-фосфодиэфирными связями, поэтому у полинуклеотида имеются 5′- и 3′-концы, а сахарофосфатный остов имеет отрицательный заряд.

Химический состав, структура и свойства ДНК

В состав ДНК входят дезоксирибоза, фосфат и четыре азотистых основания: аденин, гуанин, тимин и цитозин. Участки цепи различаются последовательностью нуклеотидов, то есть первичной структурой.

Молекула ДНК состоит из двух антипараллельных полинуклеотидных цепей, закрученных в правую двойную спираль. Снаружи располагается гидрофильный сахарофосфатный остов, а основания направлены внутрь и удерживаются водородными связями. Двойная спираль дополнительно суперскручивается; при взаимодействии с белками-гистонами образуются нуклеосомы и более высокие уровни организации хроматина.

ДНК образует вязкие растворы и поглощает ультрафиолетовое излучение в области около 260–280 нм. Отрицательный заряд фосфатных групп определяет её взаимодействие с основными белками и катионами.

Комплементарность азотистых оснований

Комплементарность — строгое соответствие оснований в двух цепях ДНК: аденин образует пару с тимином, а гуанин — с цитозином. Между А и Т образуются две водородные связи, между Г и Ц — три. Поэтому последовательность одной цепи определяет последовательность другой и может служить матрицей для её построения.

Из принципа комплементарности следуют соотношения Чаргаффа для двуцепочечной ДНК: количество аденина равно количеству тимина, количество гуанина — количеству цитозина, а сумма пуриновых оснований равна сумме пиримидиновых.

Денатурация и ренативация ДНК

Денатурация — обратимое разделение двух цепей ДНК вследствие разрушения водородных связей. Она возникает при нагревании раствора ДНК выше 90 °C, под действием концентрированных кислот и щелочей, мочевины и других физических или химических факторов. При этом фосфодиэфирные связи и последовательность нуклеотидов обычно сохраняются, а разрушается вторичная структура.

После удаления денатурирующего фактора комплементарные цепи могут вновь соединиться. Ренативация, или отжиг, — восстановление водородных связей и двуспиральной структуры. Если цепи имеют комплементарные участки, они узнают друг друга и ассоциируют вновь.

Гибридизация ДНК-ДНК и ДНК-РНК

Гибридизация основана на способности комплементарных одноцепочечных фрагментов нуклеиновых кислот соединяться после денатурации. При гибридизации ДНК-ДНК одноцепочечные фрагменты ДНК, в том числе полученные от разных организмов, образуют общий двуцепочечный гибрид при наличии сходных последовательностей.

При гибридизации ДНК-РНК цепь ДНК соединяется с комплементарным участком РНК. Количество и устойчивость образовавшегося гибрида зависят от степени комплементарности последовательностей. Поэтому гибридизацию используют для оценки родства организмов, поиска определённых генов и участков нуклеиновых кислот, а также в молекулярной генетике.

Общая схема распада нуклеиновых кислот

В тканях нуклеиновые кислоты распадаются до нуклеотидов, а затем до нуклеозидов и азотистых оснований. Углеводные компоненты и фосфорная кислота используются в обычных путях обмена. Азотистые основания подвергаются дальнейшему катаболизму.

Для человека конечный продукт распада пуриновых оснований — мочевая кислота, а конечными продуктами распада пиримидиновых оснований являются более простые растворимые соединения, в том числе мочевина, углекислый газ и аммиак.

Распад пуриновых нуклеотидов

Пуриновые нуклеотиды распадаются не непосредственно, а через нуклеозиды и свободные основания. Адениловые нуклеотиды могут сначала дезаминироваться с образованием инозинмонофосфата, а затем превращаться в инозин и гипоксантин. Гуаниловые нуклеотиды дают гуанозин и гуанин.

Гипоксантин окисляется до ксантина, а ксантин — до мочевой кислоты ферментом ксантиноксидазой. При превращении гуанина в ксантин происходит его дезаминирование. Мочевая кислота образуется преимущественно в печени.

Распад пиримидиновых нуклеотидов

Пиримидиновые основания распадаются иначе, чем пуриновые: после дезаминирования происходит восстановление и разрыв пиримидинового кольца. Поэтому образуются небольшие водорастворимые молекулы, которые включаются в дальнейший обмен.

При распаде урацила образуется β-аланин, а при распаде тимина — β-аминоизомасляная кислота. Азот, высвобождающийся при распаде пиримидинов, может обезвреживаться с образованием мочевины.

Мочевая кислота и её выведение

Мочевая кислота — конечный продукт распада пуринов у человека. Она плохо растворима в воде и может находиться в свободной форме или в виде солей; соли обычно растворимее. Выведение происходит преимущественно почками с мочой, поэтому при высокой концентрации мочевой кислоты повышается риск её кристаллизации.

У взрослого человека за сутки экскретируется примерно 0,5–1,5 г мочевой кислоты; её азот составляет около 3,5% всего выводимого азота. У детей относительная доля мочевой кислоты выше: на её азот может приходиться до 8,5% выводимого азота.

Концентрация мочевой кислоты в крови взрослых составляет около 0,1–0,3 (до 0,4) ммоль/л, у детей — до 0,47 ммоль/л. В детском возрасте мочевая кислота также рассматривается как антиоксидант.

Гиперурикемия и подагра

Гиперурикемия — повышение концентрации мочевой кислоты в крови. Она возникает при усиленном образовании мочевой кислоты из пуринов, нарушении её выведения почками или при сочетании этих причин.

Из-за плохой растворимости мочевая кислота и её соли могут выпадать в кристаллы. При подагре кристаллы уратов откладываются в околосуставных тканях и образуют подагрические узлы, вызывая воспаление и боль. В мочевыводящих путях они могут участвовать в образовании мочекислых камней.

Нарушения распада пуринов

При врождённом дефиците гипоксантин-гуанинфосфорибозилтрансферазы нарушается реутилизация пуриновых оснований и развивается гиперурикемия с неврологическими нарушениями — болезнь Леша—Нихана.

Нарушения ферментов распада аденозина и нуклеозидов могут приводить к иммунодефицитам: дефицит аденозиндезаминазы вызывает Т- и В-клеточный иммунодефицит, а дефицит нуклеозидфосфорилазы — преимущественно В-клеточный иммунодефицит.

Для уменьшения гиперурикемии применяют аллопуринол — аналог пуринового основания, ингибирующий ксантиноксидазу. В результате образование мочевой кислоты уменьшается, а гипоксантин и ксантин выводятся легче.

Общая характеристика синтеза

Пиримидиновые нуклеотиды синтезируются преимущественно de novo в цитозоле. В отличие от пуринов, пиримидиновое кольцо сначала собирается из простых предшественников, а затем присоединяется к рибозофосфату. Для синтеза используются глутамин, CO₂, аспартат и фосфорибозилдифосфат (ФРДФ); затрачиваются две молекулы АТФ.

Образование пиримидинового кольца и УМФ

1. Карбамоилфосфат. Цитозольная карбамоилфосфатсинтетаза использует глутамин как источник аминогруппы, CO₂ и две молекулы АТФ.
2. Карбамоиласпартат. Аспартаткарбамоилтрансфераза присоединяет аспартат к карбамоилфосфату.
3. Дигидрооротат и оротат. После замыкания кольца образуется дигидрооротовая кислота, которая окисляется до оротовой кислоты.
4. ОМФ и УМФ. Оротовая кислота соединяется с рибозо-5-фосфатом ФРДФ с образованием оротидилмонофосфата (ОМФ), затем ОМФ декарбоксилируется до уридинмонофосфата (УМФ).

Образование УТФ и ЦТФ

УМФ последовательно фосфорилируется до УДФ и УТФ с использованием макроэргических фосфатных групп АТФ.

ЦТФ синтезируется из УТФ под действием ЦТФ-синтетазы. Реакция требует АТФ, а источником аминогруппы служит глутамин; побочным продуктом является глутамат.

Аллостерическая регуляция

Синтез пиримидинов регулируется по механизму обратной отрицательной связи: конечные продукты тормозят начальные реакции пути.

• ЦТФ ингибирует аспартаткарбамоилтрансферазу.
• УТФ ингибирует карбамоилфосфатсинтетазу.
• Пуриновые нуклеотиды АМФ и ГМФ также оказывают отрицательное регулирующее влияние.
• ТДФ тормозит синтез ФРДФ ферментом ФРДФ-синтетазой, ограничивая общий пул рибозофосфата для синтеза нуклеотидов.

Так поддерживается равновесие между образованием пиримидиновых и пуриновых нуклеотидов и предотвращается их избыточное накопление.

Связь с дезоксирибонуклеотидами

Рибонуклеотиды могут восстанавливаться рибонуклеотидредуктазой до дезоксирибонуклеотидов, необходимых для синтеза ДНК. Уридиловый ряд участвует также в образовании тимидилового нуклеотида; превращение дУМФ в ТМФ связано с переносом метильной группы от производного тетрагидрофолата.

Общая характеристика синтеза пуриновых нуклеотидов

Синтез пуриновых оснований происходит во всех клетках организма, главным образом в печени. Исключение составляют эритроциты, полиморфноядерные лейкоциты и лимфоциты.

В тканях существуют два пути образования пуриновых нуклеотидов. Основной путь — синтез de novo из простых предшественников. Дополнительный путь использует готовые пуриновые основания и активированную рибозу.

Происхождение частей пуринового ядра

Рибозо-5-фосфат служит каркасом, на котором постепенно собирается пуриновый цикл. В образовании атомов пуринового кольца участвуют глицин, аспартат, две амидные группы глутамина, углекислый газ и производные тетрагидрофолиевой кислоты.

• аспартат поставляет атом азота N¹;
• глутамин поставляет атомы азота N³ и N⁹;
• глицин участвует в образовании фрагмента кольца;
• CO₂ входит в состав пуринового ядра;
• производные ТГФК поставляют одноуглеродные фрагменты.

Начальные стадии биосинтеза

Синтез пуринов условно разделяют на четыре этапа. На первом этапе образуется 5-фосфорибозиламин. Сначала рибозо-5-фосфат активируется: при участии АТФ образуется 5-фосфорибозил-1-дифосфат (ФРДФ).

Затем амидная группа глутамина переносится на активированный атом C₁ рибозо-5-фосфата. Образуется 5-фосфорибозиламин, а амидный азот глутамина становится атомом N⁹ будущего пуринового кольца.

Инозиновая кислота как предшественник АМФ и ГМФ

На втором этапе 5-фосфорибозиламин проходит девять реакций. В результате образуется первый пуриновый нуклеотид — инозинмонофосфат (ИМФ), или инозиновая кислота, состоящая из гипоксантина, рибозы и фосфорной кислоты. На синтез пуринового кольца затрачивается энергия шести молекул АТФ.

На третьем этапе из ИМФ образуются адениловая и гуаниловая кислоты — соответственно АМФ и ГМФ.

Синтез АМФ

АМФ образуется в две реакции. Донором аминогруппы является аспарагиновая кислота. В реакции, катализируемой аденилосукцинатсинтетазой, к ИМФ присоединяется аспартат с использованием энергии ГТФ и образуется аденилосукцинат. Затем аденилосукцинат-лиаза удаляет часть аспарагиновой кислоты в виде фумарата, вследствие чего образуется АМФ.

Синтез ГМФ

ГМФ также образуется в две реакции. Сначала ИМФ окисляется ИМФ-дегидрогеназой до ксантозинмонофосфата. Источником кислорода служит вода, а акцептором водорода — НАД. Затем ГМФ-синтетаза использует глутамин как универсальный клеточный донор NH₂-групп; источником энергии служит АТФ.

Образованные АМФ и ГМФ могут превращаться соответственно в АДФ и АТФ, а также в ГДФ и ГТФ.

Аллостерическая регуляция синтеза

Регуляция синтеза пуринов происходит по механизму обратной отрицательной связи: продукт реакции или совокупность продуктов ингибирует начальные этапы процесса.

• ГМФ блокирует первые две реакции синтеза ИМФ, а также реакцию, катализируемую ИМФ-дегидрогеназой;
• АМФ блокирует первую реакцию синтеза ИМФ и реакцию, катализируемую аденилосукцинатсинтетазой;
• высокая концентрация пуриновых нуклеотидов аллостерически подавляет регулируемую фосфорибозил-пирофосфат-амидотрансферазу;
• АТФ стимулирует синтез ГМФ, участвуя в реакции ГМФ-синтетазы;
• ГТФ обеспечивает энергией синтез АМФ в реакции аденилосукцинатсинтетазы;
• ТДФ блокирует ФРДФ-синтетазу, снижая образование ФРДФ, используемого при синтезе пуринов и пиримидинов.

Дополнительный путь синтеза

При дополнительном пути пуриновые нуклеотиды образуются из готовых пуриновых оснований и активированной рибозы. Дефект гипоксантин-гуанин-фосфорибозилтрансферазы связан с развитием болезни Леша–Найхана и гиперурикемией.

Матричные биосинтезы и матрица

Матричные биосинтезы связаны с нуклеиновыми кислотами. В большинстве случаев передача наследственной информации от материнской клетки к дочерней осуществляется при помощи ДНК — репликации. Для использования генетической информации клеткой необходимы РНК, образуемые на матрице ДНК.

Цепи ДНК антипараллельны и обладают комплементарностью азотистых оснований: аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину. Матрица определяет последовательность нуклеотидов вновь синтезируемой цепи по принципу комплементарности, поэтому первичная структура продукта соответствует первичной структуре матрицы.

Репликация ДНК

Репликация ДНК происходит в S-фазу клеточного цикла. Механизм репликации является полуконсервативным: в каждой дочерней молекуле ДНК одна цепь материнская, а другая — вновь синтезированная.

В репликации выделяют три стадии: инициацию, элонгацию и терминацию.

В репликации участвует репликационный комплекс, включающий:

• матрицу — материнские цепи ДНК, каждая из которых служит матрицей;
• растущую цепь — дочернюю цепь ДНК;
• субстраты и источник энергии — дАТФ, дГТФ, дЦТФ и ТТФ;
• ферменты, белковые факторы и ионы металлов.

Репликация начинается в участках, называемых точками ori. При частичном разрыве водородных связей образуются репликационные пузыри, в которых формируются две репликационные вилки.

Направление синтеза и фрагменты Оказаки

Синтез новой цепи ДНК идёт в направлении 5′→3′: очередной нуклеотид присоединяется к 3′-гидроксильной группе предыдущего нуклеотида.

На ведущей материнской нити синтез дочерней цепи происходит непрерывно, по направлению движения репликационной вилки. На второй материнской нити синтез отстающей дочерней цепи идёт прерывисто, небольшими фрагментами Оказаки, которые затем соединяются ДНК-лигазой.

Ферменты и этапы репликации

1. ДНК-топоизомеразы перед репликационной вилкой временно разрезают ДНК, облегчая её расплетание и раскручивание.
2. ДНК-хеликазы раскручивают и расплетают молекулу ДНК.
3. ДНК-связывающие белки связывают расплетённые нити и стабилизируют их.
4. ДНК-полимераза δ осуществляет элонгацию ведущей дочерней цепи в направлении 5′→3′.
5. ДНК-полимераза α синтезирует праймер — РНК-затравку на матрице ДНК. Длина затравки составляет 10–200 рибонуклеотидов.
6. ДНК-полимераза ε синтезирует фрагмент отстающей цепи дочерней ДНК.
7. ДНК-полимераза β удаляет рибонуклеотиды праймера и одновременно встраивает на их место дезоксирибонуклеотиды.
8. ДНК-лигаза сшивает фрагмент ДНК и участок отстающей цепи дочерней ДНК — фрагменты Оказаки.

В состав комплекса биосинтеза ДНК входят ДНК-полимеразы, ДНК-рестриктазы, ДНК-лигазы, хеликазы, топоизомеразы и праймазы.

Репарация повреждений ДНК

Репарация ДНК происходит при появлении в молекуле повреждений и искажений, а также при встраивании неправильного нуклеотида во время репликации. Повреждённый участок распознаётся специальными ферментами, удаляется экзонуклеазами, заполняется ДНК-полимеразой β и сшивается ДНК-лигазой.

При изменении структуры основания, например при его дезаминировании, основание удаляется ДНК-N-гликозидазой. Затем другими ферментами удаляется дезоксирибоза, а на её место ДНК-полимеразой β и ДНК-лигазой встраивается нужный нуклеотид.

Затравка и обратная транскрипция

Праймер, или затравка, — короткая молекула РНК, к которой присоединяется первый нуклеотид ДНК. РНК участвует в матричных биосинтезах; в схеме центральной догмы указано направление обратной транскрипции.