Biokhimia

ОСНОВЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ
ПРЕДИСЛОВИЕ
Знакомство с биологической химии имеет большое значение, прежде всего, для формирования отчетливого понимания жизненных процессов.
Современные достижения биохимии в раскрытии молекулярных механизмов живой природы позволяют понять физико-химические основы жизнедеятельности, биоэнергетики, обмена веществ, саморегуляции биохимических
процессов в организме.
Данное учебное пособие предназначено для подготовки студентов по
направлению «Экология и природопользование», но может быть использовано
также студентами других специальностей при изучении курса общей биохимии,
разделов органической химии посвященных биоорганическим соединениям.
При написании данного учебного пособия автор исходил из того, что студенты,
начинающие изучать биохимию, уже знакомы с вопросами общей и органической химии. Поэтому из огромного материала выбраны основные темы и вопросы, позволяющие дать студенту общие представления о молекулярных основах жизни.
Данное учебное пособие придерживается антропоцентрического принципа, все вопросы общей биохимии рассматриваются, прежде всего, в приложении к организму человека, но в сравнении с другими живыми организмами всех
уровней организации. Учебное пособие построено таким образом, что обеспечивает постепенность перехода от более простых вопросов статической биохимии к более сложным вопросам динамической биохимии, включающим иногда
и некоторые аспекты биохимии функциональной. Поэтому в первой части пособия рассмотрены основные признаки и химический состав живых организмов; даны современные представления о строении, свойствах и биологических
функциях белков, углеводов, нуклеиновых кислот, липидов, ферментов, витаминов, коферментов, гормонов. Далее во второй части рассматриваются основные вопросы обмена веществ и энергии, биологического окисления; обмена углеводов, липидов, нуклеиновых кислот, белков и водно-солевого обмена, моле1
кулярные основы переноса информации, регуляции биохимических процессов,
а также биохимические функции отдельных органов и тканей.
Учебное пособие содержит таблицы и рисунки, а также большое количество реакционных схем, структурных формул и химических названий, так как,
не зная химического строения биоорганических веществ и сущности их химических превращений, невозможно понять их биологическую роль и физиологическое значение при рассмотрении функциональной активности органов и тканей.
2
ВВЕДЕНИЕ
Предмет и задачи биохимии
Биологическая химия - сравнительно молодая наука. Как самостоятельная
научная дисциплина она возникла в конце XIX века, когда в ряде университетов были созданы кафедры биохимии, написаны учебники по этому предмету, а
курс биохимии стал непременной составной частью подготовки биологов и
медиков, специалистов пищевой индустрии.
Биологическая химия - наука о молекулярных основах жизни, изучающая
химическую природу веществ, входящих в состав живых организмов, их превращения, а, также связь этих превращений с деятельностью органов и тканей,
изменениями в окружающей среде.
В зависимости от подхода к изучению живых организмов, биохимию делят на три крупных раздела:
1)
статическая биохимия;
2)
динамическая биохимия;
3)
функциональная биохимия.
Статическая биохимия изучает качественный состав и количественное
содержание соединений, входящих в состав биологических объектов.
Динамическая биохимия изучает всю совокупность превращений химических соединений и взаимосвязанных с ними превращений энергии в процессе
жизнедеятельности организмов.
Функциональная биохимия изучает связь между строением химических
соединений, их превращениями, с одной стороны, и функцией тканей или органов, содержащих эти вещества, - с другой стороны.
Вышеназванные три раздела биохимии неразрывно связаны между собой,
так как в живом организме состав и строение веществ неотделимы от их преобразований, а также и от функций органов, в которых эти вещества содержатся.
Но в методологическом плане такое деление удобно, так как, с одной стороны,
отражает историю развития биохимии, а с другой - позволяет постепенно, перейти при изучении курса от более простых вопросов к более сложным.
3
В зависимости от объекта исследования биологическую химию делят на
целый ряд направлений.
Общая биохимия - рассматривает закономерности содержания и преобразования в процессе жизнедеятельности организмов химических соединений,
общих для живой материи в целом. Несмотря на биохимическое единство всего
живого, в животных, растительных и микроорганизмах существуют и коренные
различия, прежде всего в характере обмена веществ. Обмен веществ или метаболизм - совокупность всех химических реакций, протекающих в клетках организма (рис. Стр 117), направленная на сохранение и самовоспроизведение живых систем. Вышеизложенное объясняет существование помимо общей биохимии и некоторых других направлений биологической химии.
Биохимия животных - изучает состав животных организмов и превращение в них веществ и энергии.
Биохимия растений - исследует состав растительных организмов и процессы метаболизма в них.
Биохимия микроорганизмов - занимается составом и превращением
веществ в микроорганизмах.
Медицинская биохимия (биохимия человека) - включает в себя все общебиохимические направления, но в той их части, которая имеет отношение к
здоровью и болезням человека, то есть она изучает состав и превращения веществ в организме человека в норме и патологии.
Фармацевтическая биохимия занимается разработкой новых лекарственных препаратов; вопросами стандартизации и контроля качества лекарств, метаболизма их в организме.
Сравнительная биохимия - сопоставляет состав и пути превращений
веществ у организмов различных систематических групп, в том числе и в эволюционном аспекте.
Техническая биохимия - исследует состав важнейших пищевых продуктов и изучает процессы, происходящие при их производстве и хранении.
Таким образом, биохимия в целом изучает химические и физико4
химические процессы, результатом которых являются развитие и функционирование живых систем всех уровней организации. Главной задачей для
биохимии является выяснение функционального (биологического) назначения
всех химических веществ и физико-химических процессов в живом организме,
а также механизма нарушения этих функций при разных заболеваниях.
Биохимия имеет огромное теоретическое и практическое значение, особенно велико ее значение в биологии, так как управление жизнедеятельностью
любого организма (человека, животного, растения, микробов) невозможно без
расшифровки в достаточной мере набора, строения и свойств химических соединений в его составе, а также без выяснения закономерностей их превращений в процессе жизнедеятельности организма.
Кроме того, в биохимии, а именно биоорганической химии, исходя из
функций отдельных веществ в организме и механизма их действия разрабатываются принципы создания синтетических биоактивных соединений, т.е. веществ, определенным образом изменяющих функции организма. На базе известных микроорганизмов путем пересадки новых или модификации уже имеющихся генов создаются новые штаммы микроорганизмов, которые применяют
для производства дешевого кормового белка и незаменимых аминокислот. При
этом в качестве питательной среды для таких микроорганизмов часто используют парафины нефти. Разработаны биологические способы переработки промышленных и бытовых отходов, очистки морей от нефтепродуктов с помощью
специально выведенных мутантов бактерий. Биологические катализаторы ферменты применяются в фармацевтической промышленности для синтеза лекарств. Опять же с помощью микроорганизмов и методов генной инженерии
созданы экономичные способы промышленного производства лекарственных
препаратов - аминокислот, нуклеотидов, нуклеозидов, витаминов, антибиотиков и др. Разработаны быстрые и специфичные методы анализа лекарств с использованием ферментов в качестве аналитических реагентов.
Таким образом, биохимия является фундаментом для решения важнейших вопросов производства продовольствия, медицины, экологии. Закономер5
ности распада и синтеза химических соединений в природных условиях используются в промышленности и защите окружающей среды.
Основные признаки живой материи
Основными признаками, отличающими живой организм от неживого, являются следующие: 1) высокий уровень структурной организации (упорядоченность); 2) способность к эффективному преобразованию и использованию
энергии; 3) обмен с окружающей средой и саморегуляция химических превращений; 4) самовоспроизведение. Рассмотрим отдельно каждый признак.
1. Высокий уровень структурной организации (упорядоченность). Если клетку разобрать на отдельные молекулы, а затем расположить их по степени сложности, получится своеобразная шкала уровней организации клетки (См.
ниже рисунок иллюстрирующий иерархию живой материи).
Переход от простых биомолекул к сложным биоструктурам основывается
на физико-химических принципах самоорганизации, в основе которой лежат
химические взаимодействия между молекулами в составе живой материи. Ковалентные связи обеспечивают все многообразие простых биомолекул и макромолекул.
Укладка макромолекул в пространстве и организация надмолекулярных
структур, органоидов и клетки осуществляется с участием слабых связей (водородных и ван-дер-ваальсовых). Ковалентные связи обусловливают прочность и
устойчивость биомолекул, а слабые связи обеспечивают лабильность биоструктур. Более сложная организация объясняет явления живой природы и отличия
живой материи от неживой.
6
Рис. Иерархия структурной биохимической организации живой материи
7
2. Способность к преобразованию и использованию энергии. Структурная организация (упорядоченность) живой природы связана с законами термодинамики. На первый взгляд, упорядоченность структуры живых организмов
противоречит второму закону термодинамики, согласно которому в изолированной системе спонтанные процессы происходят в направлении увеличения
энтропии (беспорядка). Энтропия вселенной стремится к максимуму. Но под
"вселенной" подразумевается система и ее окружение. Это важно подчеркнуть,
так как энтропия системы может спонтанно уменьшаться до тех пор, пока
окружающая среда может это скомпенсировать. Этим объясняется антиэнтропийность живых организмов, являющихся открытыми системами (обмен с
окружающей средой веществом и энергией). Живые существа - очень упорядоченные структуры с низкой энтропией, однако они растут и поддерживают
жизнь в силу того, что при их метаболизме генерируется избыток энтропии в
окружающей среде.
Для поддержания структурной упорядоченности живые организмы постоянно расходуют энергию. Подчиняясь первому закону термодинамики, они
потребляют энергию из окружающей среды, преобразуют ее в удобную для использования форму и возвращают эквивалентное количество энергии в окружающую среду в форме теплоты. Обмениваясь с внешней средой энергией и
веществом, клетка является открытой неравновесной системой. Если бы эти
процессы пришли в состояние равновесия, то упорядоченность клетки не могла
бы поддерживаться за счет окружающей среды, и она бы погибла.
3. Обмен с окружающей средой и саморегуляция химических превращений. Поступающие в клетку вещества используются как источник энергии и как строительный материал. Для построения нужных организму молекул
поступающие извне вещества подвергаются химическим превращениям. Продукты этих превращений, т.е. продукты обмена, выводятся из организма во
внешнюю среду. Биологические катализаторы белковой природы - ферменты обеспечивают высокую скорость катализа, специфичность химических превращений и, самое главное, их саморегуляцию. Отсутствие в неживых объектах
8
белков, в том числе и белков - ферментов, исключает у них возможность специфического обмена веществ и саморегуляцию химических превращений.
4. Самовоспроизведение, передача наследственной информации. Самым уникальным признаком живых организмов, полностью отсутствующим в
неживой природе, является способность к самовоспроизведению. Все многообразие живых существ определяется наследственной программой, заложенной в
нуклеиновых кислотах. Генетическая информация хранится в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК). Особенностью ее строения является потенциальная
возможность самокопирования и, следовательно, передачи наследственных
признаков от одного поколения организма к другому. Информация, заложенная
в ДНК, реализуется через рибонуклеиновые кислоты (РНК) в структуре соответствующего белка. При этом процесс передачи наследственной информации
не может происходить без белков. Очевидно, с образованием в ходе эволюции
белков и нуклеиновых кислот сформировались первичные живые организмы.
9
Глава 1. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ОРГАНИЗМОВ
Общая масса всех живых организмов, населяющих Землю, составляет
примерно 1013-1015 т. В различных живых организмах обнаружено более 70 химических элементов. Среди них выделяют две группы;
- элементы, постоянно встречающиеся в составе любого opганизма (это С,
Н, N, О, S, Р, К, Са, Mg, Fe, Zn, Си, Со),
- иногда встречающиеся - это остальные элементы, их присутствие характерно лишь для некоторых групп организмов (наиболее распространены из них
Мо, В, V, Na, I, Cl и ряд других).
По количественному содержанию в биомассе все элементы делят на три
категории:
1 Макроэлементы, содержание которых превышает 0,001%. Примером
таких элементов являются С, О, Н, N, Р, Са, Na, К, CI, S, Mg, Fe. Наиболее высоким содержанием отличаются О, С, Н, N, Na, Са.
2. Микроэлементы, концентрация которых меньше 0,001%. Например,
Мп, Zn, Со, Ni, I, F, Вг, Мо и др.
3. Ультрамикроэлементы, содержание которых очень мало - 10-4 – 10-6 %
и меньше. Установлено, что двенадцать из них необходимы для жизнедеятельности животных и растений, это В, Li, Al, Si, Sn, Cd, As, Sc, Ti, V, Cr, Ni. Предполагается, что еще шесть элементов (Be, Rb, Ва, Ag, Pb, W) также необходимы
живым организмам. В живой природе встречаются в ничтожно малых количествах (10-6 – 10-12 %) также Cs, Gа, In, TI, Ge, Sb, Bi, Те, Au, Hg, La, Ce, Zr, Pr,
Nb, инертные элементы и даже радиоактивные. Содержание последних менее
одного атома на клетку. По-видимому, загрязнение внешней среды этими элементами приводит к накоплению их в организмах, особенно растительных.
Почти 89% атомов организма человека и растений приходится на четыре
элемента - О, Н, С и N, в то время как содержание трех последних в земной коре ничтожно.
Прямой зависимости между распространением химических элементов в
живой и неживой природе нет. Тем не менее, установлено, что организм и среда
10
взаимосвязаны, но их взаимозависимость носит тонкий характер. Так, например, выявлено, что те элементы, которые легко образуют растворимые и газообразные соединения, составляют основную массу биосферы (С, N, S, Р), хотя в
земной коре их содержание невелико. Элементы, которые образуют плохо растворимые в воде соединения, широко распространены в неорганической природе, а в составе организмов встречаются в микроколичествах (Si, Fe, Al). Таким
образом, доступность элементов для биосферы играет, вероятно, решающую
роль в их участии в построении живого вещества. Весь исходный материал для
построения живых молекул поставляет неживая природа. Кстати, морская вода
по содержанию элементов, за исключением углерода и фосфора, очень близка к
внутренним средам живых организмов. Химический состав морской воды почти идентичен составу крови человека. Поэтому считают, что возникновение
жизни связано с водной средой Мирового океана.
Все макро- и микроэлементы входят в состав живых организмов в виде
химических соединений. Единственным исключением является кислород, незначительная доля которого растворена в жидкостях организма в свободном
молекулярном виде; однако большая часть молекулярного кислорода связана с
гемоглобином, миоглобином и другими переносчиками.
Примерно 75% биомассы составляет вода, хотя ее содержание в различных организмах колеблется от 40 - 60%, например, у древесных растений, до
99% - у медузы. Вода играет огромную роль - она вместе с неорганическими
соединениями образует среду, в которой протекают все физико-химические
процессы в ходе обмена веществ. С другой стороны, часто вода - один из партнеров реакций, например, реакций гидролиза.
На втором месте по количественному содержанию и на первом по значению находятся белки. В среднем в пересчете на сухое вещество в организмах
содержится 45-50% белка, причем для растений свойственно отклонение от
средней величины в сторону понижения, а для животных - в сторону повышения. Некоторые микроорганизмы почти целиком состоят из белков. Белки, об11
ладая рядом специфических свойств, являются материальным субстратом жизни.
Далее очень важным классом соединений, входящим в состав живых организмов, являются нуклеиновые кислоты. Они обеспечивают воспроизведение
белковых тел, их содержание в сухом веществе организмов стабильно и равно
нескольким процентам, причем в растительных клетках нуклеиновых кислот
больше, чем в животных.
Остальная часть сухого вещества организмов составлена из соединений
других классов. В основном это - углеводы (наибольшее содержание в клетках
растений, печени, мышц), липиды (ими богата жировая ткань) и минеральные
вещества. Содержание этих веществ в организмах сильно варьируется, причем
в растительном мире преобладают углеводы, а в животном - липиды. Минеральные вещества составляют примерно 10% от сухого вещества биомассы.
Кроме белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и минеральных
веществ в составе организмов найдены в незначительных количествах представители других классов органических соединений: углеводородов, спиртов, альдегидов, карбоновых кислот и их производных, аминокислот, эфиров, аминов,
гетероциклов, мононуклеотидов. Часть соединений этой группы обладает мощным физиологическим действием и играет роль ускорителей или замедлителей
жизненных процессов. Поэтому, несмотря на различие в химической природе,
эти вещества объединяют в одну группу под названием "биологически активные вещества". Сюда относят ферменты, витамины, гормоны, ростовые вещества, биостимуляторы, коферменты, антибиотики, фитонциды и др.
12
Глава 2. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА БЕЛКОВ
2.1. Роль и определение белков.
Белки играют важнейшую роль в построении живой материи и в осуществлении процессов жизнедеятельности. В настоящее время полностью экспериментально доказано широко известное представление Ф.Энгельса о сущности жизни: "Жизнь есть способ существования белковых тел". Никакие другие
органические соединения не могут заменить белки по их роли в живых организмах. Белки являются материальным субстратом жизни. Часто встречается
название "протеины" для данного класса соединений, которое впервые было
введено Берцелиусом в 1838 году и более точно отражает первостепенное биологическое значение этих веществ (термин образован от греческого слова "proteios" - "первый, важнейший"). Но, тем не менее, название "белки" прочно
утвердилось и используется в литературе. Такое обозначение (белки), вероятно,
принято по аналогии с белком куриного яйца, который при кипячении (денатурации) приобретает белый цвет.
2.2. Функции белков в организме
Сочетание своеобразных химических и физических свойств белков обеспечивает именно этому классу органических соединений центральную роль в
явлениях жизни.
Белки имеют следующие биологические свойства, или осуществляют
следующие основные функции в живых организмах:
1. Каталитическая функция белков. Все биологические катализаторы ферменты являются белками. В настоящее время охарактеризовано тысячи
ферментов, многие из них выделены в кристаллической форме. Почти все ферменты - мощные катализаторы, повышающие скорости реакций, по крайней
мере, в миллион раз. Эта функция белков является уникальной, не свойственной другим полимерным молекулам.
2. Питательная (резервная функция белков). Это, прежде всего белки,
предназначенные для питания развивающегося зародыша: казеин молока,
овальбумин яиц, запасные белки семян растений. Ряд других белков, несомнен13
но, используется в организме в качестве источника аминокислот, которые, в
свою очередь, являются предшественниками биологически активных веществ,
регулирующих процесс обмена веществ.
3. Транспортная функция белков. Транспорт многих небольших молекул
и ионов осуществляется специфическими белками. Например, дыхательная
функция крови, а именно перенос кислорода, выполняется молекулами гемоглобина - белка эритроцитов. В транспорте липидов принимают участие альбумины сыворотки крови. Ряд других сывороточных белков образует комплексы с
жирами, медью, железом, тироксином, витамином А и другими соединениями,
обеспечивая их доставку в соответствующие органы.
4. Защитная функция белков. Основную функцию защиты выполняет иммуннологическая система, которая обеспечивает синтез специфических защитных белков - антител - в ответ на поступление в организм бактерий, токсинов
или вирусов (антигенов). Антитела связывают антигены, взаимодействуя с ними, и тем самым нейтрализуют их биологическое действие и сохраняют нормальное состояние организма. Свертывание белка плазмы крови - фибриногена
- и образование сгустка крови, предохраняющего от потери крови при ранениях
- еще один пример защитной функции белков.
5. Сократительная функция белков. В акте мышечного сокращения и расслабления участвует множество белков. Главную роль в этих процессах играют
актин и миозин - специфические белки мышечной ткани. Сократительная
функция присуща также и белкам субклеточных структур, что обеспечивает
тончайшие процессы жизнедеятельности клеток,
6. Структурная функция белков. Белки с такой функцией занимают первое место среди других белков тела человека. Широко распространены такие
структурные белки, как коллаген в соединительной ткани; кератин в волосах,
ногтях, коже; эластин - в сосудистых стенках и др.
7. Гормональная (регуляторная) функция белков. Обмен веществ в организме регулируется разнообразными механизмами. В этой регуляции важное
место занимают гормоны, вырабатываемые железами внутренней секреции. Ряд
14
гормонов представлен белками, или полипептидами, например гормоны гипофиза, поджелудочной железы и др.
Это далеко не полный перечень функций- белков, существует еще множество физиологически важных функций белковых молекул.
2.3. Элементный состав белков. Содержание белков в органах и тканях
Белки характеризуются строго определенным элементным составом, который приведен в таблице 1. Кроме перечисленных в таблице элементов, в составе некоторых белков в небольших количествах встречаются Р, Fe, Mn, Mg, I
и др. Особенно характерный показатель -процентное содержание азота, оно в
большинстве случаев равно 16%. Поэтому по содержанию белкового азота часто определяют содержание белка в кормах и продуктах питания. Для этого величину процентного содержания белкового азота в препаратах умножают на
фактор пересчета 6.25 (100:16=6.25). Наиболее богаты белковыми веществами
ткани и органы животных. Белки содержатся также в микроорганизмах и растениях. В мышцах, легких, селезенке, почках человека на долю белков приходится более 70-80% сухой массы, а во всем теле человека белки составляют 45%
сухой массы (табл.2). В отличие от животных тканей, в растениях содержится
значительно меньше белков (табл. 3).
Таблица 1. Элементный состав белков
Наименование элемента
Содержание элемента, %
Углерод
Водород
Азот
Кислород
Сера
Зола
50,6-55,4
6,5-7,3
15-18
21,5-23,5
0,3-2,4
0-0,5
15
Таблица 2. Содержание белков в органах и тканях человека
Органы и ткани Содержание белков, %
тела
От сухой От общего
ткани
белка тела
Кожа
63
11,5
Кости (тв.ткани)
20
18,7
Зубы
18
0,1
(тв. ткани)
Поперечно80
34,7
полосатые
мышцы
Мозг и нервная
45
2,0
ткань
Печень
57
3,6
Сердце
Легкие
60
82
0,7
3,7
Органы и ткани Содержание белков, %
тела
От сухой От общего
ткани
белка тела
Селезенка
84
0,2
Почки
72
0,5
Поджелудоч47
0,1
ная железа
Пищевари63
1,8
тельный тракт
Жировая ткань
14
6,4
Остальные
ткани:
жидкие
плотные
Все
тело
85
54
1,4
14,6
45
100
16
Таблица 3.Содержание белков в органах животных и в растениях
Органы и ткани
Содержание белков, %
(от массы свежей ткани)
1
2
Мышцы
18-23
Печень
18-19
Селезенка
17-18
Почки
16-17
Сердце
16-18
Легкие
14-15
Мозг
7-9
Семена растений
10-13
Стебли растений
1,5-3
Листья растений
1,2-3
Корни растений
0,5-3
Фрукты
0,3-1
2.4. Аминокислотный состав белков
С химической точки зрения белки - это высокомолекулярные азотсодержащие органические соединения (полиамиды), молекулы которых построены
из остатков аминокислот. Мономерами белков служат α-аминокислоты, общим
признаком которых является наличие карбоксильной группы -СООН и аминогруппы -NH2 у второго углеродного атома (α-углеродный атом):
Аминокислоты классифицируют: - по полярности радикалов на полярные (гидрофильные) и неполярные (гидрофобные);
- по природе радикалов на алифатические (глицин, аланин, валин, лейцин,
изолейцин); гидроксиаминокислоты (серии, треонин); дикарбоновые, кислые,
(аспарагиновая, глутаминовая и их амиды - аспарагин и глутамин); тиоаминокислоты (цистеин, метионин); диаминомонокарбоновые, щелочные (лизин, аргинин); ароматические (фенилаланин, тирозин); гетероциклические (триптофан,
гистидин, пролин).
В настоящее время известно более 200 аминокислот, существующих в
природе. В организме человека содержится около 60 различных аминокислот и
17
их производных. В белках же всех видов живых существ - от бактерий до человека - обнаруживают менее 30 из них.
Эти аминокислоты делят на две группы: постоянно встречающиеся в белках (главные) и иногда встречающиеся (редкие). К первой группе относят 20
аминокислот (в том числе и пролин, который, по существу, является иминокислотой) (табл.4).
18
Таблица 4. Аминокислоты, постоянно встречающиеся в составе белков
№
п/п
1
1.
Название
Структура
Сокращенное
обозначение
русское,
латинское
2
3
4
I. Неполярные(гидрофобные) аминокислоты
H2N-CH-COOH
Аланин
Ала, Ala
pI
5
6,02
CH3
2.
Валин
H2N-CH-COOH
Вал, Val
5,97
Лей, Leu
5,98
Иле, Ile
6,02
Три, Try
5,88
Про, Pro
6,10
Фен, Phe
5,98
Meт, Met
5,75
H3C-CH-CH3
3.
Лейцин
H2N-CH-COOH
CH2
H3C-CH-CH3
4.
Изолейцин
H2N-CH-COOH
H3C-CH-CH2-CH3
5.
Триптофан
H2N-CH-COOH
CH2
C
CH
NH
6.
Пролин
(иминокислота)
NH
CH-COOH
H2C
CH2
CH2
7.
Фенилаланин
H2N-CH-COOH
CH2
8.
Метионин
H2N-CH-COOH
(CH2)2
S
CH3
19
1
9.
2
3
4
II. Полярные (гидрофильные) незаряженные аминокислоты
H2N-CH-COOH
Глицин
Гли, Gly
5
5,97
H
10.
Серин
H2N-CH-COOH
Сер, Ser
5,68
Тре, Thr
6,53
Цис, Cys
5,02
Тир, Tyr
5,65
Асн, Asn
5,41
Гли,Gln
5,65
CH2
OH
11.
Треонин
H2N-CH-COOH
CH-OH
CH3
12.
Цистеин
H2N-CH-COOH
CH2
SH
13.
Тирозин
H2N-CH-COOH
CH2
OH
14.
Аспарагин
H2N-CH-COOH
CH2
C
NH2
O
15.
Глутамин
H2N-CH-COOH
(CH2)2
C
O
NH2
20
1
16.
2
3
4
III. Отрицательно заряженные (кислые) аминокислоты
H2N-CH-COOH
Аспарагиновая
Асп, Asp
кислота
CH2
(Аспартат)
5
2,95
COOH
17.
Глутаминовая
кислота
(Глутамат)
Глу, Glu
3,22
IV. Положительно заряженные (основные) аминокислоты
H2N-CH-COOH
Лизин
Лиз, Lys
9,74
H2N-CH-COOH
(CH2)2
COOH
18.
(CH2)4
NH2
19.
Аргинин
H2N-CH-COOH
Арг, Arg
(CH2)3
10,7
6
NH
C = NH
NH2
20.
Гистидин
H2N-CH-COOH
Гис, His
7,58
CH2
C
CH
N
NH
CH
К группе редко встречающихся аминокислот принадлежат, например,
гидроксипролин, гидроксилизин, орнитин, йодтирозин, α-аминоизомасляная
кислота и некоторые другие. Они имеют следующее строение:
CH3
H3C-C-COOH
HO-HC
CH2
H2C
CH-COOH
H2N-(CH2)3-CH-COOH
NH2
NH
NH2
α-аминоизомасляная
кислота
гидроксипролин
21
орнитин
I
H
H2N-CH2-CH-(CH2)2-CH-COOH
HO
CH2 -CH-COOH
OH
NH2
NH2
I
H
йодтирозин
гидроксилизин
Эти аминокислоты образуются из главных уже после включения их в состав белковой молекулы.
2.5. Кислотно-основные свойства аминокислот
α-Аминокислоты в силу своего химического строения проявляют кислотно-основные (амфотерные) свойства, которые определяют многие физикохимические и биологические свойства белков. На этих свойствах основаны,
почти все методы выделения и идентификации аминокислот и белков.
При нейтральном значении рН аминокислоты в растворах находятся в
виде биполярного иона (цвиттер-иона), при этом аминогруппа протонирована
(-NH3+), а карбоксильная группа - диссоциирована (-СОО-):
+ H N - CH - COO 3
(рН ≈7)
R
Ионизация аминокислоты зависит от рН среды: в кислых растворах ионизирована аминогруппа, а в щелочных - карбоксильная группа:
+ H N - CH - COO 2
+ H N - CH - COO 3
R
R
(рН=1)
(рН=11)
В кислой среде α-аминокислоты выступают как основания (по аминогруппе), а в щелочной - как кислоты (по карбоксильной группе). У некоторых
аминокислот может ионизироваться также радикал (R), в связи, с чем все аминокислоты можно разделить на заряженные и незаряженные (при физиологическом значении рН=6,0 - 8,0) (см. табл. 4). В качестве примера первых можно
привести аспарагиновую кислоту и лизин:
22
+ H N - CH - COO3
+ H N - CH - COO 3
CH2
(CH2)4
NH3+
COO-
Аспарагиновая кислота
(отрицательно заряженная кислота,
проявляет кислотные свойства)
Лизин
(положительно заряженная кислота,
проявляет основные свойства)
Если радикалы аминокислот нейтральные, то они не оказывают влияния
на диссоциацию α-карбоксильной или α-аминогруппы, и величины рК (отрицательный логарифм, показывающий значение рН, при котором эти группы наполовину диссоциированы) остаются относительно постоянными.
Величины рК для α-карбоксилыюй (pK1) и α-аминогруппы (рК2) сильно
различаются. При рН < pK1 почти все молекулы аминокислоты протежированы
и заряжены положительно. Напротив, при рН > рК2 практически все молекулы
аминокислоты являются отрицательно заряженными, так как α-карбоксильная
группа находится в диссоциированном состоянии.
Следовательно, в зависимости от рН среды аминокислоты имеют суммарный нулевой положительный или отрицательный заряд. Значение рН, при
котором суммарный заряд молекулы равен нулю, и она не перемещается в
электрическом поле ни к катоду, ни к аноду, называется изоэлектрической точкой и обозначается pI.
Для нейтральных α-аминокислот значение pI находят как среднее арифметическое между двумя значениями рК:
При рН раствора меньше pI аминокислоты протонируются и, заряжаясь
положительно, перемещаются в электрическом поле к катоду. Обратная картина наблюдается при рН > pI.
Для аминокислот, содержащих заряженные (кислотные или основные)
радикалы, изоэлектрическая точка зависит от кислотности или основности этих
радикалов и их рК (рК3). Значение pI для них находят по следующим формулам:
23
для кислых аминокислот:
для основных аминокислот:
В клетках и межклеточной жидкости организма человека и животных рН
среды близко к нейтральному, поэтому основные аминокислоты (лизин, аргинин) имеют положительный заряд (катионы), кислые аминокислоты (аспарагиновая, глутаминовая) имеют отрицательный заряд (анионы), а остальные существуют в виде биполярного цвиттер-иона.
2.6. Стереохимия аминокислот
Важной особенностью белковых α-аминокислот является их оптическая
активность. За исключением глицина все они построены асимметрично, в связи
с чем, будучи растворены в воде или в соляной кислоте, способны вращать
плоскость поляризации света. Аминокислоты существуют в виде пространственных изомеров, относящихся к D- или L-ряду. L- или D-конфигурация
определяется типом строения соединения относительно асимметрического атома углерода (атом углерода, связанный с четырьмя различными атомами или
группами атомов). В формулах асимметрический атом углерода обозначают
звездочкой. На рис.3 показаны проекционные модели L- и D- конфигураций
аминокислот, которые являются как бы зеркальным отображением друг друга.
Все 18 оптически активных белковых аминокислот относятся к L -ряду. Однако
в клетках многих микроорганизмов и в антибиотиках, продуцируемых некоторыми из них, обнаружены D-аминокислоты.
Рис. 3. Конфигурация L- и D- аминокислот
24
2.7. Строение белков
Исходя из результатов изучения продуктов гидролиза белков и выдвинутых А.Я. Данилевским идей о роли пептидных связей -CO-NH- в построении
белковой молекулы, немецкий ученый Э. Фишер предложил в начале XX века
пептидную теорию строения белков. Согласно этой теории, белки представляют собой линейные полимеры α-аминокислот, связанных пептидной связью полипептиды:
В каждом пептиде один концевой аминокислотный остаток имеет свободную α-аминогруппу (N-конец), а другой - свободную α-карбоксильную
группу (С-конец). Структуру пептидов принято изображать, начиная с Nконцевой аминокислоты. При этом аминокислотные остатки обозначаются
символами. Например: Ala-Tyr-Leu-Ser-Tyr- •••-Cys. Этой записью обозначен
пептид, в котором N-концевой α-аминокислотой является аланин, а С-концевой
- цистеин. При чтении такой записи окончания названий всех кислот, кроме последних меняются на - "ил": аланил-тирозил-лейцил-серил-тирозил-•••
-
цистеин. Длина пептидной цепи в пептидах и белках, встречающихся в организме, колеблется от двух до сотен и тысяч аминокислотных остатков.
Для определения аминокислотного состава белки (пептиды) подвергают
гидролизу:
В нейтральной среде эта реакция протекает очень медленно, но ускоряется в присутствии кислот или щелочей. Обычно гидролиз белков проводят в за25
паянной ампуле в 6М растворе соляной кислоты при 105 °С; в таких условиях
полный распад происходит примерно за сутки. В некоторых случаях белок гидролизуют в более мягких условиях (при температуре 37-40 °С) под действием
биологических катализаторов-ферментов в течение нескольких часов.
Затем аминокислоты гидролизата разделяют методом хроматографии на
ионообменных смолах (сульфополистирольный катионит), выделяя отдельно
фракцию каждой аминокислоты. Для вымывания аминокислот с ионнообменной колонки используют буферы с возрастающим значением рН. Первым снимается аспартат, имеющий кислотную боковую цепь; аргинин с основной боковой цепью вымывается последним. Последовательность снятия аминокислот с
колонки определяют по профилю вымывания стандартных аминокислот. Фракционированные аминокислоты определяют по окраске, образующейся при
нагревании с нингидрином:
В этой реакции бесцветный нингидрин превращается; в синефиолетовый
продукт, интенсивность окраски которого (при 570 нм) пропорциональна количеству аминокислоты (только пролин дает желтое окрашивание). Измерив, интенсивность окрашивания, можно рассчитать концентрацию каждой аминокислоты в гидролизате и число остатков каждой из них в исследуемом белке.
В настоящее время такой анализ проводят с помощью автоматических
приборов - аминокислотных анализаторов (см. ниже рис. Схемы прибора). Результат анализа прибор выдаёт в виде графика концентраций отдельных аминокислот. Этот метод нашел широкое применение в исследовании состава пищевых веществ , клинической практике; с его помощью за 2-3 часа можно получить полную картину качественного состава аминокислот продуктов и биологических жидкостей.
26
Рис. Схема аминокислотного анализатора: 1 - вымывающий раствор (буфер с переменным рН); 2 - хроматогрифическая колонка (в верхнюю часть колонки вносят гидролизат белка, затем начинают вымывание); 3 - раствор нингидрина; 4 - водяная баня (подогревание необходимо для ускорения реакции
нингидрина с аминокислотами); 5 - спектрофотометр и записывающее устройство; 6 - хроматограмма, каждый пик которой соответствует одной аминокислоте, а площадь пика пропорциональна концентрации аминокислоты в
гидролизате.
27
2.8. Уровни структурной организации белков
В настоящее время экспериментально доказано существование четырёх
уровней структурной организации белковой молекулы: первичной, вторичной,
третичной и четвертичной структуры.
Первичная структура
Первичной
структурой
называют
порядок
чередования
(последо-
вательность) аминокислотных остатков в белке (См. стр. 25). В организме человека имеется тысячи разных белков, имеющих различную первичную структуру.
Вторичная структура белков
Пептидная цепь обладает значительной гибкостью. В результате внутрицепочечных взаимодействий она приобретает определённую пространственную
структуру (конформацию), которая и называется вторичной. Вторичная структура белков стабилизируется за счёт образования водородных связей между
карбонильной группой одного аминокислотного остатка и NH-группой другого:
Чем больше образуется водородных связей, тем устойчивее вторичная
структура. Но возможности пространственной укладки пептидной цепи ограничены тем, что пептидная связь имеет частично двойной характер и вращение
вокруг неё невозможно. Атомы водорода и кислорода пептидной группы занимают транс-положение. Напротив, в области связей между пептидными группами и α-углеродными атомами возможно свободное вращение:
28
Вследствие этих ограничений при образовании водородных связей полипептидная цепь принимает не произвольную, а определенную конформацию.
Известны три основных типа вторичной структуры белков: α-спираль, βструктура (складчатый слой) и беспорядочный клубок. В α-спирали NH-группа
данного остатка аминокислоты взаимодействует с С=О-группой четвертого от
него аминокислотного остатка. В результате образуется спираль, закрученная
по часовой стрелке вследствие L-аминокислотного состава белков и содержащая на каждый виток 3,6 аминокислотных остатка. На один аминокислотный
остаток приходится 0,15 нм, угол подъема спирали равен 26 градусов (рис. ниже). Витки спирали связаны водородными связями, ориентированными вдоль
оси спирали, α-радикалы направлены наружу. Различные белки имеют различную степень спирализации: отношение числа аминокислот в спирали к общему
числу минокислот в белке.
В складчатом слое (β-структуре) пептидные цепи (или отдельные участки
одной цепи) располагаются параллельно друг другу в один слой, образуя фигуру, подобную листу, сложенному гармошкой. Причём возможны варианты βструктур: они могут быть образованы параллельными цепями (N-концы целей
направлены в одну и ту же сторону, (рис.ниже,а) и антипараллельными (Nконцы направлены в разные стороны) (рис ниже,б).
Как
правило, вторичная
структура белковой
молекулы содержит
и α-, и β-участки, а также участки, не имеющие какой-либо правильной организации, называемые "беспорядочным" клубком. В этих участках полипептидная
цепь сравнительно легко изгибается, меняя конформацию, в отличие от более
жёстких структур α- и β-участков.
29
Рис. Схема α-спирали
а)
б)
Рис. Схемы β-структур: а-параллельные цепи; б- антипараллельные цепи
Третичная структура белков
Третичной структурой белка называется способ укладки в пространстве
полипептидной цепи, имеющей определённую вторичную структуру. По форме
молекулы и особенностям пространственной структуры белки делятся на две
группы: глобулярные и фибриллярные. Форма первых близка к сферической
или эллипсоидной, с отношением короткой и длинной осей до 1:50. Молекулы
фибриллярных белков имеют удлинённую форму (форма нити, палочки) и соотношение осей 1: (75-200).
30
Третичная структура глобулярных белков стабилизируется в основном за
счёт образования ковалентных дисульфидных связей между радикалами цистеина:
Дополнительный вклад также вносят слабые нековалентные связи: гидрофобные - между неполярными радикалами; водородные - между полярными
радикалами; ионные - между заряженными радикалами (рис. 7).
Рис.7. Связи, стабилизирующие третичную структуру белков
Третичная структура белка после его синтеза в рибосомах возникает автоматически и предопределяется первичной структурой белка. Третичная
структура глобулярного белка (рис.8а) не является абсолютно жёсткой, в известных пределах возможен разрыв некоторых слабых нековалентных связей и
образование новых: глобула как бы пульсирует в растворе.
Структурная организация фибриллярных белков имеет ряд особенностей
по сравнению с глобулярными. Фибриллярные белки составляют основную
массу соединительной ткани в организме человека и животных. Коллаген - самый распространённый фибриллярный белок, он составляет 1/3 часть от всех
31
белков в организме человека. Эластин, который по сравнению с коллагеном более эластичен, содержится в тканях, испытывающих периодическое растяжение
и сокращение: кровеносные сосуды, лёгкие, некоторые связки суставов. αКератины входят в состав эпидермиса кожи, волос, ногтей. Фибриллярные белки построены из трёх пептидных цепей (в каждой около 1000 аминокислотных
остатков), каждая из которых имеет конформацию спирали, отличную от αспирали (за исключением α-кератинов). Эти три спирали в молекуле коллагена
перевиты друг с другом, образуют плотный жгут за счет водородных связей
между цепями и внутри цепей. Молекулы коллагена, соединяясь «бок о бок»,
образуют микрофибриллы, из последних формируются более толстые - макрофибриллы, а из них - волокна и пучки волокон. Аналогичную структуру имеют
α-кератины. В одном волосе, например, содержатся сотни макрофибрилл αкератина, ориентированных по длине волоса. Фибриллярные белки имеют специфический аминокислотный состав. Например, в коллагене каждая третья
аминокислота - глицин, 20%- остатки пролина и гидроксипролина, 10%- аланина и 40%- остальные аминокислоты.
Если первичная структура белков даёт возможность предсказать конформацию молекулы, то есть её вторичную и третичную структуры, то третичная
структура содержит информацию иного рода, а именно функциональную. Все
биологические свойства белков связаны с сохранностью его третичной структуры, которую называют нативным белком. Любые воздействия, приводящие к
нарушению этой конформации, сопровождаются полной или частичной потерей белком его биологических свойств.
Четвертичная структура белков
Белки, состоящие из одной полипептидной цепи, имеют только третичную структуру. К ним относятся, например, миоглобин - белок мышечной ткани, ряд ферментов (лизоцим, пепсин, трипсин и так далее). Однако некоторые
белки построены из нескольких полипептидных цепей, каждая из которых имеет первичную, вторичную и третичную структуры. Для таких белков введено
понятие четвертичной структуры, которая представляет собой организацию не32
скольких полипептидных цепей в функциональную единую молекулу белка
(рис.8б). Такой белок с четвертичной структурой называется олигомером или
мультимером, а его полипептидные цепи - протомерами или субъединицами.
Стабилизируют четвертичную структуру такие же связи, как и - третичную.
Протомеры соединяются в мультимеры по принципу комплементарности - универсальному принципу живой природы. Расположение групп, образующих связи, на одном протомере соответствует их расположению на другом протомере.
Принцип комплементарности лежит в основе процесса самосборки олгимерных
белков.
а
б
Рис. 8. Схема третичной (а) и четвертичной (6) структуры белка
При четвертичном уровне организации белки сохраняют основную конфигурацию третичной структуры (глобулярную или фибриллярную). Например, белки волос и шерсти имеют фибриллярную конформацию четвертичной
структуры. Примером глобулярного мультимера может служить гемоглобин,
состоящий из четырёх субъединиц глобулярного характера: двух α- и двух βцепей. Его строение кратко можно представить формулой 2α2β. Под действием
мочевины происходит обратимая диссоциация гемоглобина:
2α2β = 2α + 2β = α + α + β + β,
либо
2α2β = αβ + αβ = α + α + β + β
димеры протомеры
Отдельные протомеры биологически неактивны, именно четвертичная
структура обеспечивает ряду белков их специфические функции. Число прото33
меров в мультимерах всегда чётное, а молекулярные массы более 1млн. Да.
Классическим примером мультимерной молекулы является вирус табачной мозаики с молекулярной массой около 40 млн. Да, состоящий из одной молекулы
РНК и 2130 белковых субъединиц.
2.9. Физико-химические свойства белков
Белки имеют различные химические, физические и биологические свойства, которые определяются аминокислотным составом и пространственной организацией каждого белка. Химические реакции белков очень разнообразны,
они обусловлены наличием NH2-, СООН-групп и радикалов различной природы. Это реакции нитрования, ацилирования, алкилирования, этерификации,
окисления-восстановления и другие. Белки обладают кислотно-основными, буферными, коллоидными и осмотическими свойствами.
Кислотно-основные свойства белков
Белки являются амфотерными полиэлектролитами, т.е. проявляют как
кислотные, так и основные свойства. Это обусловлено наличием в молекулах
белков аминокислотных радикалов, способных к ионизации, а также свободных
α-амино- и α-карбоксильных групп на концах пептидных цепей. Кислотные
свойства белку придают кислые аминокислоты (аспарагиновая, глутаминовая),
а щелочные свойства - основные аминокислоты (лизин, аргинин, гистидин).
Заряд белковой молекулы зависит от ионизации кислых и основных
групп аминокислотных радикалов. В зависимости от соотношения отрицательных и положительных групп молекула белка в целом приобретает суммарный
положительный или отрицательный заряд. При подкислении раствора белка
степень ионизации анионных групп снижается, а катионных повышается; при
подщелачивании - наоборот. При определенном значении рН число положительно и отрицательно заряженных групп становится одинаковым, возникает
изоэлектрическое состояние белка (суммарный заряд равен 0). Значение рН,
при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии, называют изоэлектрической точкой и обозначают pI, аналогично аминокислотам. Для боль34
шинства белков pI лежит в пределах 5,5-7,0, что свидетельствует о некотором
преобладании в белках кислых аминокислот. Однако есть и щелочные белки,
например, сальмин - основной белок из молок семги (pl=12). Кроме того, есть
белки, у которых pI имеет очень низкое значение, например, пепсин - фермент
желудочного сока (pl=l). В изоэлектрической точке белки очень неустойчивые
и легко выпадают в осадок, обладая наименьшей растворимостью.
Если белок не находится в изоэлектрическом состоянии, то в электрическом поле его молекулы будут перемещаться к катоду или аноду, в зависимости
от знака суммарного заряда и со скоростью, пропорциональной его величине; в
этом заключается сущность метода электрофореза. Этим методом можно разделять белки с различным значением pI.
Белки хотя и обладают свойствами буфера, но емкость их при физиологических значениях рН ограничена. Исключение составляют белки, содержащие много гистидина, так как только радикал гистидина обладает буферными
свойствами в интервале рН 6-8. Таких белков очень мало. Например, гемоглобин, содержащий почти 8% гистидина, является мощным внутриклеточным
буфером в эритроцитах, поддерживая рН крови на постоянном уровне.
Растворимость белков
Полярные группы белков способны взаимодействовать с водой (гидратироваться), а также с низкомолекулярными органическими соединениями и
ионами (с этим свойством связана транспортная функция белков). Количество
воды, связанной с белком, достигает 30-50 г на 100 г белка. Гидрофильных полярных групп значительно больше на поверхности белковой глобулы, чем
внутри ее, эти группы образуют так называемую гидратную оболочку белковой
молекулы. Но есть и гидрофобные белки, они нерастворимы в воде, но растворяются в жирах (липидах) и встречаются в основном в клеточных мембранах.
Растворимость белков зависит от количества гидрофильных (полярных) групп,
от размеров и формы молекул, от величины суммарного заряда, а также от
наличия в растворе других растворенных веществ. Например, некоторые белки
35
не растворяются в дистиллированной воде, но растворяются в присутствии небольшой концентрации нейтральных солей. При высоких концентрациях солей
белки выпадают в осадок (высаливание), причем для осаждения различных
белков требуется разное количество соли, что используется для фракционирования белков. Чаще всего для разделения белков методом высаливания используют сульфат аммония. После удаления соли (например, диализом) осажденный
белок вновь растворяют, при этом сохраняются его нативные свойства.
Растворимость белков зависит также от особенностей их структурной организации: глобулярные белки, как правило, лучше растворимы, чем фибриллярные.
рН среды влияет на заряд белка, а, следовательно, на его растворимость.
Растворимость и устойчивость белка минимальны при рН, соответствующем
изоэлектрической точке белка.
Между температурой и растворимостью белка строгой зависимости не
имеется. Одни белки (глобулины, пепсин, фосфорилаза мышц) в водных или
солевых растворах с повышением температуры растворяются лучше; другие
(альдолаза мышц, гемоглобин и другие) - хуже.
Денатурация и ренатурация
При нагревании растворов белков до 60-80% или при действии реагентов,
разрушающих нековалентные связи в белках, происходит разрушение третичной (четвертичной) и вторичной структуры белковой молекулы, она принимает
в большей или меньшей степени форму беспорядочного случайного клубка.
Этот процесс называют денатурацией. В качестве денатурирующих реагентов
могут быть кислоты, щелочи, спирты, фенолы, мочевина, гуанидинхлорид и др.
Сущность их действия в том, что они образуют водородные связи с =NH и =СО
- группами пептидного остова и с кислотными группами радикалов аминокислот, подменяя собственные внутримолекулярные водородные связи в белке
вследствие чего вторичная и третичная структуры изменяются. При денатурации падает растворимость белка, он "свертывается" (например, при варке кури36
ного яйца), утрачивается биологическая активность белка. На этом основано,
например, применение водного раствора карболовой кислоты (фенола) в качестве антисептика. В определенных условиях при медленном охлаждении раствора денатурированного белка происходит ренатурация - восстановление исходной (нативной) конформации. Это подтверждает тот факт, что характер
укладки пептидной цепи определяется первичной структурой.
2.10. Классификация белков
Строгой номенклатуры и классификации белков до сих пор не существует. Названия белков дают по случайным признакам, чаще всего принимая во
внимание источник выделения белка или же учитывая растворимость его в тех
или иных растворителях, форму молекулы и др.
Классификация белков проводится по составу, по форме частиц, по растворимости, по аминокислотному составу, по происхождению и т.д.
1. По составу белки делят на две большие группы: простые и сложные
белки.
К простым (протеинам) относят белки, дающие при гидролизе только
аминокислоты (протеиноиды, протамины, гистоны, проламины, глутелины,
глобулины, альбумины). В качестве примеров простых белков могут служить
фиброин шелка, яичный сывороточный альбумин, пепсин и др.
К сложным (к протеидам) относят белки, составленные из простого белка
и добавочной (простетической) группы небелковой природы. Группу сложных
белков делят на несколько подгрупп в зависимости от характера небелкового
компонента:
- металлопротеиды, содержащие в своем составе металлы (Fe, Си, Mg и
др.), связанные непосредственно с полипептидной цепью;
- фосфопротеиды - содержат остатки фосфорной кислоты, которые сложноэфирными связями присоединены к молекуле белка по месту гидроксильных
групп серина, треонина;
- гликопротеиды - их простетическими группами являются углеводы;
37
- хромопротеиды - состоят из простого белка и связанного с ним окрашенного небелкового соединения, все хромопротеиды биологически очень активны; в качестве простетических групп в них могут быть производные порфирина, изоаллоксазина и каротина;
- липопротеиды - простетическая группа липиды - триглицериды (жиры)
и фосфатиды;
- нуклеопротеиды - белки, состоящие из простого белка и соединенной с
ним нуклеиновой кислоты. Эти белки играют колоссальную роль в жизнедеятельности организма и будут рассмотрены ниже. Они входят в состав любой
клетки, некоторые нуклеопротеиды существуют в природе в виде особых частиц, обладающих патогенной активностью (вирусы).
2. По форме частиц - белки делят на фибриллярные (нитеподобные) и
глобулярные (сферические) (см. стр 30).
3. По растворимости и особенностям аминокислотного состава выделяют следующие группы простых белков:
- протеиноиды - белки опорных тканей (костей, хрящей, связок, сухожилий, волос, ногтей, кожи и т.д.). Это в основном фибриллярные белки с большой молекулярной массой (> 150000 Да), нерастворимые в обычных растворителях: воде, солевых и водно-спиртовых смесях. Они растворяются только в
специфических растворителях;
- протамины (простейшие белки) - белки, растворимые в воде и содержащие 80-90% аргинина и ограниченный набор (6-8) других аминокислот, представлены в молоках различных рыб. Вследствие высокого содержания аргинина
имеют основные свойства, их молекулярная масса сравнительно мала и примерно равна 4000-12000 Да. Они являются белковым компонентом в составе
нуклеопротеидов;
- гистоны - хорошо растворимы в воде и разбавленных растворах кислот
(0,1Н), отличаются высоким содержанием аминокислот: аргинина, лизина и гистидина (не менее 30%) и поэтому обладают основными свойствами. Эти белки
в значительных количествах содержатся в ядрах клеток в составе нуклеопроте38
идов и играют важную роль в регуляции обмена нуклеиновых кислот. Молекулярная масса гистонов невелика и равна 11000-24000 Да;
- глобулины - белки, нерастворимые в воде и солевых растворах с концентрацией соли более 7%. Глобулины полностью осаждаются при 50%-ном
насыщении раствора сульфатом аммония. Эти белки отличаются высоким содержанием глицина (3,5%), их молекулярная масса > 100000 Да. Глобулины слабокислые или нейтральные белки (р1=6-7,3);
- альбумины - белки, хорошо растворимые в воде и крепких солевых растворах, причем концентрация соли (NH4)2S04 не должна превышать 50 % от
насыщения. При более высокой концентрации альбумины высаливаются. По
сравнению с глобулинами эти белки содержат глицина в три раза меньше и
имеют молекулярную массу, равную 40000-70000 Да. Альбумины имеют избыточный отрицательный заряд и кислые свойства (pl=4,7) из-за большого содержания глутаминовой кислоты;
- проламины - группа растительных белков, содержащаяся в клейковине
злаковых растений. Они растворимы только в 60-80%-ном водном растворе
этилового спирта. Проламины имеют характерный аминокислотный состав: в
них много (20-50%) глутаминовой кислоты и пролина (10-15%), в связи с чем
они и получили свое название. Их молекулярная масса более 100000 Да;
- глютелины - растительные белки нерастворимые в воде, растворах солей и этаноле, но растворимы в разбавленных (0,1Н) растворах щелочей и кислот. По аминокислотному составу и молекулярной массе сходны с проламинами, но аргинина содержат больше, а пролина меньше.
2.11. Методы выделения и очистки белков
Последовательность операций по выделению белков обычно сводится к
измельчению биологического материала, экстрагированию белков (т.е. переводу их в растворенное состояние) и, наконец, выделению исследуемого белка из
смеси других белков, т.е. очистке и получению индивидуального белка. Все
39
операции проводят при температуре, близкой к 0°С и не применяют сильных
кислот и оснований, чтобы избежать денатурации.
Исходный биологический материал измельчают при помощи ножевых
или пестиковых гомогенизаторов, часто используют валковые или шаровые
мельницы. Кроме того, применяется метод попеременного замораживания и оттаивания ткани, в основе разрушающего действия которого лежат разрывы клеточной оболочки, вызванные кристалликами льда. Для разрушения тканей используют также ультразвук, пресс-методы и метод "азотной бомбы", который
заключается в насыщении клеток азотом под высоким давлением, а затем резким сбрасыванием давления - выделяющийся газообразный азот как бы "взрывает" клетки.
Измельченную ткань заливают экстрагентом, в качестве, которого используют 8-10% растворы солей, буферные смеси, органические растворители,
а также неионные детергенты - вещества, нарушающие гидрофобные взаимодействия между белками и липидами, между белковыми молекулами. Однако
ими пользуются осторожно, чтобы не нарушить третичную (четвертичную)
структуру белков. Из органических соединений используют водные растворы
глицерина и слабые растворы сахарозы. Так как растворению и стабилизации
белков способствуют кислые и слабощелочные среды, то в качестве буферных
смесей используют фосфатные, цитратные, боратные буферные смеси. Нерастворимые части ткани осаждают центрифугированием. В надосадочной жидкости содержатся растворимые белки.
Главная трудность выделения индивидуального белка в его отделении от
остальных белков, так как все белки обладают сходными свойствами и их разделение основано на небольших различиях в свойствах разных белков.
Рассмотрим ряд методов выделения белков.
1. Избирательная денатурация. Многие белки денатурируются и выпадают в осадок при нагревании раствора до 50-70 °С или при подкислении до рН ≈
5. Если выделяемый белок выдерживает эти условия, то часть посторонних
белков можно удалить из раствора таким способом.
40
2. Высаливание представляет собой процесс осаждения белков из раствора при добавлении различных солей. Чаще всего используют зависимость растворимости белков от концентрации сульфата аммония. Если в раствор добавить небольшое количество (NH4)2SO4, (например, 10г на 100мл раствора), то
наименее растворимые белки выпадут в осадок. Осадок отделяют центрифугированием, а к надосадочной жидкости добавляют еще 10 г (NH4)2S04 и получают второй осадок. Продолжая эту процедуру, получают ряд фракций: в одной
из них содержание искомого белка больше, чем в других.
3. Методы ионно-обменной хроматографии и электрофореза основаны на различиях в количестве и природе ионогенных групп аминокислотных радикалов.
Для хроматографии белков применяют ионообменники на основе целлюлозы
или других гидрофильных полимеров.
Электрофорез применяют в различных вариантах. Наиболее простой из
них - электрофорез на бумаге. Полоску фильтровальной бумаги пропитывают
буферным раствором и включают ее в электрическую цепь с постоянным током. Процедуру проводят в герметически закрытой камере. Белки из электрофореграмме обнаруживают, обрабатывая полоску красителем, связывающимся
с белками и образующим цветные соединения. После окончательного разделения белков на фракции, в зависимости от заряда белковой молекулы, отдельные
белки вымывают (предварительно разрезав полоску на части) подходящим растворителем и осаждают. Для получения больших количеств очищенного белка
вместо полоски бумаги в этом методе используют толстый блок какого-либо
инертного материала - крахмала, целлюлозного порошка или полимеры, образующие гели - агар, полиакриламид.
4. Методы гель-фильтрации и ультрацентрифугирования основаны на
различиях белков по молекулярной массе.
Молекулярная масса белков достигает десятки и сотни тысяч атомных
единиц массы (а.е.м., или Да). Обычные методы определения молекулярной
массы - криоскопия и эбулиоскопия - для белков неприменимы. Для определения молекулярных масс белков разработаны специфические методы. Наиболее
41
распространенный из них - метод ультрацентрифугирования, разработанный
шведским ученым Сведбергом. Он основан на измерении скорости седиментации веществ. Во вращающемся роторе ультрацентрифуги центробежное ускорение достигает 100000-500000 g (g - ускорение свободного падения). На поверхность буферного раствора, налитого в кювету ультрацентрифуги, наносят
тонкий слой раствора белка и кювету помещают в ротор. При вращении ротора
более плотные, чем растворитель, молекулы белка перемещаются в направлении от оси вращения. Положение белковой зоны регистрируют специальной
оптической системой по показателю преломления, который больше в зоне белка, чем в буферном растворе. На основании результатов центрифигурирования
вычисляют коэффициент седиментации
где
х - расстояние от оси вращения до белковой зоны, см;
t - время седиментации, с;
dx/dt –скорость седиментации, см/с;
ω- угловая скорость вращения ротора, рад/с.
За единицу коэффициента седиментации условно принята величина 10 -13
с, называемая сведбергом и обозначаемая "S".
Молекулярная масса белка пропорциональна его коэффициенту седиментации, коэффициенту диффузии и плотности:
Где
R - универсальная газовая постоянная (8.314 Дж/град моль);
Т - абсолютная температура опыта;
S - коэффициент седиментации, с;
О - коэффициент диффузии, см2/с;
V - удельный парциональный объем молекулы белка, т.е. величина, обратная плотности молекулы, см3/г;
42
р - плотность растворителя при данной температуре, г/см3.
Более просто молекулярную массу белка можно определить методом
гель-фильтрации, или молекулярного просеивания. Метод основан на применении специальных полимерных веществ (например, сефадекс), набухшие зерна
которых имеют поры определенного размера. Небольшие молекулы легко проходят в эти поры, а диффузия крупных молекул затруднена. Это явление и лежит в основе разделения веществ методом гель-фильтрации. Принципиальная
схема метода изображена на рисунке приведенном ниже, белковый раствор
вместе с буфером перемещаются вдоль колонки между гранулами сефадекса.
Белки проходят медленнее, чем буферный раствор, причем тем медленнее, чем
меньше молекулярная масса белка, так как их молекулы легче диффундируют
внутрь гранул сефадекса.
В результате в колонке образуются отдельные зоны белков: чем ниже
расположена зона, тем больше молекулярная масса белка. Белковые фракции,
различающиеся молекулярной массой, собирают в отдельные пробирки и идентифицируют хроматографически. Между объемом вымывания (объем буфферного раствора, затраченный на вымывание из колонки данной фракции - V, мл)
и логарифмом молекулярной массы (IgM) - линейная зависимость (см. рис.9,б).
Предварительно колонку калибруют, пропуская через нее растворы стадартных
белков с известной молекулярной массой.
43
Очистка белков
Белки, всегда содержат некоторое количество низкомолекулярных примесей, особенно ионов солей. Для полного освобождения от этих примесей
белки подвергают дальнейшей очистке путем диализа, электродиализа, кристаллизации и перекристаллизации.
Метод диализа состоит в длительном (сутки и больше) пропускании воды через сосуд, в который погружен диализационный мешочек с раствором
белка. Его делают из материалов, хорошо проницаемых для маленьких молекул
и ионов, но не пропускающих большие молекулы белка. К таким материалам
относят целлофан, коллодиевую пленку и др. Таким образом, происходит вымывание низкомолекулярных примесей из раствора белка через диализационный материал, внутри остается белок. Затем диализ продолжают еще 1-3 суток
дистиллированной водой. Но даже после диализа на поверхности белковых молекул могут оставаться частично ионы. Потому далее полученный раствор белка подвергают электродиализу: против мембран диализационной камеры (мешочка) помещают электроды, на которые подают напряжение, в результате чего в омывающую мембраны воду уходят остатки ионов.
44
Глава 3. УГЛЕВОДЫ
3.1. Понятие об углеводах и их классификация
Углеводы наряду с белками и липидами являются важнейшими химическими соединениями для живых организмов: они являются компонентами клеток всех растительных и животных организмов. В составе человека и животных
углеводы присутствуют в меньшем количестве (не более 2% от сухой массы тела), чем белки и липиды. В растительных организмах на долю углеводов приходится до 80% сухой массы, поэтому в целом в биосфере углеводов больше,
чем всех других органических соединений, вместе взятых. Углеводы образуются растениями в процессе фотосинтеза. Человек и животные используют углеводы, синтезируемые растениями. Углеводы оставляют значительную долю
пищи млекопитающих.
Впервые термин "углеводы" предложен профессором К.Г. Шмидтом в
1844 году: в то время предполагали, что общая формула этих соединений
Сn(H2O), т.е. «углерод + вода» → «углевод». Например, глюкоза и фруктоза
имеют состав С6(Н2О)6, тростниковый сахар (сахароза) - С12(Н2О)11, крахмал
[С6(Н2О)5]n т.д. Однако в дальнейшем был открыт ряд соединений, принадлежащих по своим свойствам к углеводам, но не соответствующих вышеприведенной формуле (например, дезоксирибоза С5Н10О4.) В то же время есть вещества, сходные по составу с углеводами, но не проявляющие их свойств (например, шестиатомный спирт инозит С6Н12О6, или уксусная кислота СН3СООН =
С2Н4О2).
Термин "углеводы" устарел и не отражает ни химической природы, ни
состава этих соединений, однако предложенный для них термин "глициды" не
получил распространения. К углеводам относятся соединения, обладающие
разнообразными и часто различными свойствами. Среди них есть вещества
низкомолекулярные и высокомолекулярные, кристаллические и аморфные, растворимые в воде и нерастворимые в ней, гидролизуемые и негидролизуемые,
способные легко окисляться и устойчивые к действию окислителей и т. д. Это
45
многообразие свойств связано с химической природой углеводов, со строением
их молекул.
По строению углеводы делят на две основные группы:
1) простые углеводы, или моносахариды, и их производные (уроновые,
альдоновые кислоты; амино- и фосфосахариды и др.) не гидролизуются с образованием более простых углеводов;
2) сложные углеводы при гидролизе распадаются на простые углеводы. К
сложным углеводам относят олиго- и полисахариды. Полисахариды, в свою
очередь, делят на гомо- и гетерополисахариды.
По физико-химическим свойствам углеводы делят на нейтральные, содержащие только гидроксильные и карбонильные группы; основные включающие кроме названных аминогруппу (аминосахара); кислые, содержащие кроме
гидроксильных и карбонильных групп карбоксильные группы.
3.2. Моносахариды
Большинство моносахаридов имеют состав CnH2nOn и являются производными многоатомных спиртов, содержащими альдегидную (альдозы) или кетонную группу (кетозы). Следовательно, моносахариды является полигидроксикарбонильными соединениями. По числу атомов углерода в молекуле моносахариды делятся на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т.д. Триозы - глицериновый альдегид СН2ОН-СНОН-СНО и диоксиацетон СН2ОН-СО-СН2ОН являются самыми простыми моносахаридами. Ряд моносахаридов, часто называемый рядом «моноз», заканчивается декозами:
альдотетрозы – СН2ОН-(СНОН) 2-СНО,
кетотетрозы – СН2ОН-СНОН-СО-СН2ОН,
альдопентозы- СН2ОН-(СНОН)3-СНО,
кетопентозы - СН2ОН-(СНОН)2-СО-СН2ОН,
альдогексозы - СН2ОН-(СНОН)4-СНО,
кетогексозы - СН2ОН-(СНОН)з-СО-СН2ОН и т.д.
46
В природе распространены почти исключительно пентозы и гексозы, однако редко встречающиеся гептозы, нонозы и другие также играют важную
роль в биологических процессах. Все простые углеводы - кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде и имеющие сладкий вкус
Оптические свойства моносахаридов
Все моносахариды, кроме диоксиацетона, содержат один или более
асимметрических атомов углерода С. В связи с этим моносахариды могут существовать в виде различных стереоизомеров (или оптических изомеров). Общее число стереоизомеров для любого моносахарида определяется по формуле:
N = 2n, N - число стереоизомеров, а n - число асимметрических атомов углерода. Например:
CHO
CHO
CHO
C*HOH
C*HOH
C*HOH
C*HOH
C*HOH
C*HOH
CH2OH
C*HOH
C*HOH
C*HOH
CH2OH
CH2OH
N=4
N=16
N=8
Принадлежность моносахарида к D- или L-ряду определяется расположением атома водорода и гидроксила у последнего асимметрического атома углерода по сравнению с их расположением у D- и L-глицеринового альдегида. Тот
изомер, у которого при проекции на плоскость ОН-группа у асимметрического
атома углерода расположена с правой стороны, принято считать D - глицеральдегидом, а зеркальное отражение - L-глицеральдегидом:
CHO
H
C*
CHO
OH
CH2OH
D-глицериновый альдегид
HO
C* H
CH2OH
L-глицериновый альдегид
47
CHO
CHO
(CHOH)x
H
(CHOH)x
C* OH
C* H
HO
CH2OH
D-ряд
CH2OH
L-ряд
Зеркально построенные формы моносахаридов называют оптическими
антиподами, а их эквимолярные смеси - рацематами. Каждый оптический изомер имеет свое название и свои особенности свойств. Ниже приведены формулы оптических изомеров гексоальдоз D-ряда:
H
H
H
H
C1HO
C 2 OH
C3 OH
C 4 OH
C 5 OH
H
H
HO
H
OH
H
C
C HO
C OH
C H
C OH
HO
HO
H
OH
H
C
C HO
C H
C H
C OH
C
OH
C6 H2OH
C H2OH
D-аллоза
D-альтроза
D-глюкоза
D-манноза
C HO
HO C H
H C OH
HO C H
C HO
H C OH
HO C H
HO C H
OH
C HO
HO C H
HO C H
HO C H
H C OH
C H2OH
C H2OH
C HO
H C OH
H C OH
HO C H
H
HO
H
H
C HO
C OH
C OH
C OH
C
OH
C H2OH
D-гулоза
H
C
OH
C H2OH
H
C H2OH
D-идоза
C
D-галактоза
C H2OH
D-талоза
Стереоизомеры, отличающиеся пространственным расположением водорода и ОН групп у соседнего с альдегидной группой углеродного атома, называют эпимерами. Из приведенных примеров эпимерами являются аллоза и альтроза, глюкоза и манноза, гулоза и идоза, галактоза и талоза.
Кетозы также способны к стереоизомерии. Наиболее известные из кетоз
D-рибулоза (1), D-фруктоза (2), D-седогептулоза (3):
48
C
OH
H
OH
C
C
O
C
O
HO C
H
HO C
H
O
H C
CH2OH
1)
CH2OH
CH2OH
CH2OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
CH2OH
2)
CH2OH
3)
Для перехода от моносахарида D-ряда к L-ряду нужно изменить конфигурацию всех асимметрических атомов углерода на противоположную. Почему
важно знать оптические свойства углеводов и аминокислот? Организм человека
усваивает только L-аминокислоты и D-глюкозу и не может усваивать Dаминокислоты и L-глюкозу. В мышечных тканях содержится D-молочная кислота, а в кислом молоке в результате деятельности микроорганизмов образуется
L-молочная кислота.
Природные гексозы: глюкоза, фруктоза, манноза и галактоза - принадлежат, как правило, к соединениям D-ряда. Живые клетки усваивают из смеси
изомеров необходимый им изомер даже в том случае, когда разделение изомеров какими-либо физическими и химическими методами практически невозможно.
Структура моносахаридов
Рассмотренные выше структуры оптических изомеров моносахаридов являются ациклическими и изображены с помощью проекционных формул Фишера. Однако моносахариды, начиная с пентоз, могут существовать и в циклических формах, причем в кристаллическом состоянии - это преобладающий вид
структуры. В растворах устанавливается подвижное равновесие между ациклической и циклической формами (таутомерами), которое называют таутомерией.
Известно, что углеродная цепь вследствие вращения атомов относительно
химических связей может быть не только вытянутой, но и изогнутой. При этом
циклические формы возникают за счет взаимодействия карбонильной группы и
одной из гидроксильных групп с образованием внутренних полуацеталей. Аль49
дегидная, или кетонная, группа гексоз и пентоз взаимодействует с гидроксильными группами у С4 или С5. В результате образуются пяти- или шестичленные
циклы. Эти циклы структурно аналогичны кислородсодержащим гетероциклам
пирану и фурану:
Пиран
Фуран
Поэтому циклические формы гексоз и пентоз соответственно называют
пиранозными и фуранозными. Циклические формы изображают перспективными формулами Хеуорса. При написании структурных формул по Хеуорсу
нумерацию атомов углерода в цикле производят по часовой стрелке, и символы
атомов углерода обычно не записывают. При этом атомы и группы атомов, которые в формуле Фишера находятся справа от цепи, располагают под плоскостью цикла, и - наоборот. Исключение составляет группа –СН2ОН у 5-го атома
углерода гексоз, которая всегда располагается над плоскостью цикла.
В качестве примера рассмотрим схему таутомерии глюкозы:
O
H
H
H
C3
H
4
H
C
C
5
CH2OH
H
C
OH
H
HO
C
H
OH
H
C
H
C
C2 OH
HO
OH
C
C1
OH
C6 H2 OH
OH
O
H
O
OH
OH
H
OH
H
H
OH
H
CH2 OH
По карбонильному кислороду происходит реакция присоединения водорода от ОН-группы у С5 и появляется новый гидроксил у С1, получивший
название полуацетального гликозидного и отличающийся высокой реакционной способностью. Существует два вида циклической формы глюкозы в зависимости от того, как будет расположен гликозидный гидроксил - ниже плоскости кольца (α-форма) или выше плоскости кольца (β-форма):
50
CH2OH
CH2OH
O
H
H
OH
OH
H
H
OH
O
H
H
OH
OH
α-D-глюкопираноза
(α-глюкоза)
OH
H
OH
H
H
OH
H
β-D-глюкопираноза
(β-глюкоза)
Кристаллическая глюкоза содержит молекулы α- формы. При растворении вещества в воде появляются и молекулы β-формы. Превращение идет через
промежуточное образование альдегидной формы глюкозы: α-форма глюкозы
<=> альдегидная форма <=> β- форма глюкозы. Аналогичная ситуация наблюдается и для остальных моносахаридов.
Для других альдогексоз, как и для глюкозы, характерны пиранозные циклические формы. Циклические формы важнейшей из кетогексоз - D-фруктозы
содержат пятичленный цикл:
HO-CH2
H
CH2OH
O
OH
H
OH
O
HO-CH2
OH
H
H
OH
H
OH
α - D – фруктофураноза
(α-фруктоза)
OH
CH2OH
H
β -D- фруктофураноза
(β-фруктоза)
Наиболее известные из пентоз - D-рибоза и 2-дезокси-D-рибоза, входящие в состав нуклеиновых кислот, также имеют фуранозные циклические
структуры, при этом возможны α- и β- формы:
HO-CH2
H
H
O
H
OH
HO-CH2
H
H
OH
OH
α-D-рибофураноза
(α-рибоза)
OH
O
H
H
OH
OH
H
β-D-рибофураноза
(β-рибоза)
51
HO-CH2
H
H
O
HO-CH2
H
H
H
OH
OH
H
2-дезокси-α-D-рибофураноза
(α-дезоксирибоза)
OH
O
H
H
H
OH
H
2-дезокси-β-D-рибофураноза
(β-дезоксирибоза)
3.3. Химические свойства моносахаридов
Реакции с участием карбонильной группы
Хотя ациклическая форма моносахаридов присутствует и в кристаллическом состоянии, и в растворах в незначительных количествах они проявляют все свойства, присущие альдегидам (в альдозах) или кетонам (в кетозах). Так, по альдегидной группе для них характерны реакции окисления и восстановления, присоединения спиртов с образованием полуацеталей и др. Рассмотрим некоторые из этих свойств.
1. Окисление моносахаридов. При обработке альдоз слабыми окислителями (например, гипойодидом натрия) альдегидная группа превращается в карбоксильную - образуются альдоновые кислоты. В качестве примера можно привести D-глюконовую (1) и D-галактоновую (2) кислоты, образующиеся соответственно из D-глюкозы и D-галактозы:
H
HO
H
H
C OOH
C OH
C H
C OH
C OOH
H C OH
HO C H
HO C H
OH
C
H
C H2 OH
кислоты
OH
C H2
(1)
Альдоновые
C
OH
(2)
являются промежуточными
продуктами
уг-
леводного обмена.
2. Восстановление моносахаридов. Моносахариды под действием соответствующих ферментов легко гидрируются по связи С=О с образованием многоатомных спиртов (сахароспирты). Из D-глюкозы получается сорбит, из Д52
маннозы - маннит. Восстановление D-фруктозы приводит к образованию эквимолярной смеси эпимеров - D-маннита и D-сорбита, так как в результате гидрирования второй атом углерода становится асимметричным:
H
CHO
C OH
HO
C
H
H
H
C
OH
C
OH
C H2
H
+ 2H
OH
D-глюкоза
HO C
H C
H
C
H
H
+ 2H
OH
OH
C H2
OH
D-сорбит
HO
H
H
C
C
C
C
HO
O
+2H HO
H
OH
H
OH
H
C H2
CH O
CH2O H
CH2O H
CH2OH
C OH
OH
D-фруктоза
H
C
C
H
C
OH
C
OH
C H2
+2H
OH
D-маннит
HO
C
H
HO
C
H
H
H
C
OH
C
OH
C H2
OH
D-манноза
Реакции с участием гидроксильных групп
Моносахариды как в кристаллическим состоянии, так и в растворе в основном существуют в полуацетальных (циклических формах). Полуацетальный
(гликозидный) гидроксил отличается большей реакционной способностью, чем
другие гидроксильные группы и может замещаться на различные группы в реакциях со спиртами и фенолами (простые эфиры), карбоновыми кислотами
(сложные эфиры), а также может взаимодействовать с гидроксилом у С4-атома
другого (других) моносахаридов с образованием β-1,4-гликозидов или α-1,4гликозидов (дисахариды и полисахариды) и т.д. Соединение, которое действует
на полуацетальный гидроксил моносахарида, называют агликоном, а продукт
реакции - гликозидом.
Например, при реакции метанола с β-D-глюкопиранозой в присутствии
неорганических кислот образуется метил -β-D-глюкопиранозид:
β-Д-глюкопираноза
метил-β-Д-глюкопиранозид
При действии на β-D-глюкопиранозу уксусной кислоты получается ацетил-β-D-глюкопиранозид:
53
β-Д-глюкопираноза
ацетил-β-Д-глюкопиранозид
Ацилированию и алкилированию могут подвергаться и остальные гидроксильные группы моносахаридов, но в более жестких условиях. Вышеперечисленные гликозиды называют О-гликозидами. Важным свойством моносахаридов является образование N-гликозидов, в которых связь с агликоном осуществляется через азот, а не через кислород:
N-гликозид (α-форма)
N-гликозид (β-форма)
К N-гликозидам относятся исключительно важные в обмене веществ продукты
расщепления нуклеиновых кислот и нуклеопротеидов (нуклеотиды и нуклеозиды), АТФ, НАД, НАДФ (см. главы 4, 7), некоторые антибиотики.
При окислении первичной спиртовой группы до карбоксильной образуются уроновые кислоты, которые имеют важное биологическое значение, являясь компонентами гетерополисахаридов. Например, из D-глюкозы и Dгалактозы образуются соответственно D-глюкуроновая и D-галактуроновая
кислоты:
C HO
CHO
H C OH
HO C H
H C OH
H C OH
H C OH
HO C H
HO C H
H C OH
COOH
COOH
D-глюкуроновая кислота
D-галактуроновая кислота
54
Исключительно важную роль в обмене веществ играют фосфорнокислые
эфиры моносахаридов, образующиеся при взаимодействии с фосфорной кислотой. Ниже приведены формулы некоторых фосфатов моносахаридов:
CH2OH
OH
CH2OPO3H2
O
O
OH
OPO3H2
OH
OH
OH
O
OH
OH
Глюкозо-6-фосфат
Глюкозо-1-фосфат
H2O3POCH2
OH
H2O3POCH2
OH
O
OH
H
H
CH2OPO3H2
OH
OH
Фруктозо-1,6-дифосфат
OH
Рибозо-5-фосфат
OH
H2O3POCH2 O
O
P
O
OH
OH
O
P
OH
O
OH
5-фосфорибозил-1-пирофосфат
Важную роль играют аминосахара - производные моносахаридов, гидроксильная группа которых замещена аминогруппой. В организме человека и
животных наиболее важными аминосахарами являются D-глюкозамин и Dгалактозамин:
Аминосахара входят в состав гетерополисахаридов животного, растительного и бактериального происхождения, являются углеводными компонентами различных гликопротеинов и гликолипидов, принимающих участие в построении клеточных мембран. На рисунке показана структура протеогликана
клеточной стенки Стафилококка ауреуса, грамм-положительной бактерии.
55
Рис. Протеогликан клеточной стенки стафилококка,
грам-положительной бактерии
3.4. Сложные углеводы
Среди сложных углеводов выделяют две группы: олигосахариды и полисахариды.
Олигосахариды
Олигосахариды - углеводы, молекулы которых содержат от 2 до 10 остатков моносахаридов, соединенных гликозидными связями. Они хорошо растворяются в воде, легко кристаллизуются и, как правило, сладкие на вкус. Поэтому
олигосахариды иначе называют сахароподобными сложными углеводами.
Наиболее изучены дисахариды - сложные, сахара, при гидролизе дающие 2 мо-
56
лекулы моносахаридов. Среди дисахаридов, важнейшие - мальтоза, целлобиоза,
лактоза и сахароза.
Мальтоза - α-глюкопиранозил (1-4) -α-глюкопираноза (солодовый сахар) состоит из двух остатков α-D-глюкозы, является промежуточным продуктом
при гидролизе полисахаридов (крахмала и гликогена):
Так как в молекуле мальтозы у второго остатка глюкозы имеется свободный полуацетальный гидроксил, она обладает восстанавливающими свойствами.
Целлобиоза, как и мальтоза, состоит из двух остатков D-глюкозы, но в
отличие от мальтозы это β-глюкопиранозил -(1-4)-β-глюкопираноза:
Она также как и мальтоза, легко окисляется и является хорошим восстановителем, широко распространена в растительном мире: в прорастающих семенах, косточках абрикосов, соке деревьев. Образуется при ферментативном
гидролизе клетчатки (целлюлозы), из которой состоят оболочки растительных
клеток.
Лактоза - β-галактозил-(1-4)-α-глюкопираноза (молочный сахар)- состоит
из β-D-галактозы и α-D-глюкозы, содержится только в молоке (молочный сахар); проявляет восстановительные свойства, поскольку в остатке глюкозы
имеется свободный полуацетальный гидроксил:
57
Сахароза - α-глюкопиранозил -(1-2) -β-фруктофуранозид - наиболее распространенный дисахарид - состоит из остатков α-D-глюкозы и β-D-фруктозы:
В отличие от других дисахаридов сахароза восстанавливающими свойствами не обладает, так как не имеет свободного полуацетального гидроксила.
Сахароза содержится в соке многих растений: в свекле (до 27%) и тростнике
(14-26%), и в меньшем количестве в соке клена, березы, пальмы. Сахарозу часто называют тростниковым или свекловичным сахаром, она является важнейшим пищевым продуктом.
Из трисахаридов наиболее известна рафиноза, состоящая из остатков
фруктозы, глюкозы и галактозы. Она содержится в сахарной свекле и во многих
других растениях.
В целом олигосахариды растительных тканей разнообразнее по своему
составу, чем олигосахариды животных тканей.
Полисахариды
Полисахариды - сложные углеводы, содержащие более десяти остатков
моносахаридов. Все полисахариды можно разделить на две группы: на гомополисахариды, состоящие из моносахаридов только одного типа, и гетерополисахариды, для которых характерно наличие двух или более типов моносахаридных звеньев.
Полисахариды, как и олигосахариды, легко гидролизуются при кипячении с разбавленными растворами кислот или под действием ферментов.
Внешне они резко отличаются от моно- и дисахаридов: имеют аморфную
структуру, не обладающую сладким вкусом, полисахаридам присущи свойства
типичных высокомолекулярных соединений (ВМС), имеющих полярные группы. Поэтому полисахариды гидрофильны, при растворении в воде они набухают, а затем, частично растворяясь, дают коллоидные растворы. В зависимости
58
от состава полисахариды обладают разной гидрофильностью, растворимостью
и зарядом. Гетерополисахариды характеризуются гораздо более кислыми свойствами по сравнению с гомополисахаридами и несут больший отрицательный
заряд.
Гомополисахариды
К числу наиболее распространенных гомополисахаридов принадлежат
крахмал, гликоген (животный крахмал) - резервные полисахариды и целлюлоза
(клетчатка) - структурный полисахарид. Все они являются полигликозидами, в
молекулах которых за счет эфирных (кислородных) мостиков объединяются
сотни, тысячи и десятки тысяч остатков моносахаридов. Эфирные мостики образуются за счет взаимодействия гликозидного гидроксила одного остатка моносахарида со спиртовым гидроксилом ( чаще всего у 4-го атома С - для линейных форм, 4-го и 6-го - у разветвленных форм) другого остатка моносахарида.
Крахмал - один из самых распространенных гомополисахаридов, содержится в зернах злаков (пшеница, кукуруза) и в клубнях растений (картофель и
др.). Он нерастворим в холодной воде, а в горячей образует коллоидный раствор - клейстер. Крахмал - природный полимер, мономером которого является
D-глюкоза. Состоит из двух различных фракций, различающихся по своему
строению и свойствам: амилозы (~20%) и амилопектина, общая формула которых одинакова (С6Н10О5)n.
Амилоза - линейный полисахарид - остатки D-глюкозы соединены α-1,4глюкозидными связями; она имеет молекулярную массу от 20000, до 200000
Да, в водной среде амилоза образует двухспиральные структуры. Ее коллоидные частицы (мицеллы) дают с йодом характерное синее окрашивание.
Амилопектин - разветвленный полисахарид с молекулярной массой от
100000 до 1 млн Да. Примерно через 15-25 моносахаридных звеньев у него
имеются точки ветвления, образованные α-1,6-глюкозидмыми связями:
59
Участок молекулы амилопектина
Коллоидные растворы амилолектина дают с йодом красно-фиолетовое
окрашивание.
Компоненты крахмала прочно связываются в клетке с белком, образуя
смешанные макромолекулы. Возможно, что синтез крахмала, т.е. удлинение
полисахаридных цепей, происходит на белковой основе. Очевидно, белковая
часть придает полисахариду некоторую способность к диффузии внутри клетки.
При частичном гидролизе крахмала образуются полисахариды с меньшей
степенью полимеризации - декстрины, при полном гидролизе - мальтоза и глюкоза. Крахмал - наиболее важный пищевой углевод для человека, содержание
его в муке 75-80%, в картофеле - 25%.
Гликоген - является главным резервным гомополисахаридом в организме
человека и животных. Поэтому его называют «животный крахмал», однако он
найден в грибах, дрожжах и зернах кукурузы. Гликоген содержится почти во
всех органах и тканях животных и человека, но больше всего в печени и в
мышцах. Молекулярная масса гликогена 105-108Да и выше. Гликоген по строению близок к амилолектину, но отличается большой разветвленностью цепей.
В молекуле гликогена различают внутренние цепи - участки полиглюкозидных
60
цепей между точками ветвления, и наружные цепи - участки от периферической точки ветвления до конца цепи. В цепях остатки глюкозы соединены α1,4-глюкозидными связями, а в точках ветвления - α-1,6-глюкозидные связи.
Рис. Строение молекулы гликогена (по Майеру): белые, кружки - остатки
глюкозы, соединенные α-1,4 - связью; черные - остатки глюкозы, соединенные
α-1,6-связью
При гидролизе гликоген распадается, как и крахмал, сначала до декстринов, затем до мальтозы и, наконец, до глюкозы. Распад гликогена носит название гликогенолиза и обеспечивает потребность организма в энергии для поддержания температуры тела, осуществления мышечного сокращения, протекания биохимических реакций и т.д.
В клетке гликоген, как и крахмал, связан с белком цитоплазмы и частично белком внутриклеточных мембран.
Целлюлоза (клетчатка) - наиболее распространенный гомополисахарид
растительного мира: в древесине 50 - 70% клетчатки, в стеблях волокнистых
растений (лен) еще больше, а волокно хлопка - почти чистая, клетчатка. Она
играет большую роль в построении клеточных стенок (название целлюлоза - от
латинского "целлюла" - клетка).
Клетчатка так же, как и крахмал, построена из остатков D-глюкозы, но в
отличие от крахмала - это β-полиглюкозид: с молекулярной массой 5·104- ·106
Да. Ниже представлен фрагмент молекулы целлюлозы:
61
При частичном гидролизе клетчатки образуется дисахарид целлобиоза, а
при полном гидролизе – D-глюкоза.
Гетерополисахариды
Гетерополисахариды, или мукополисахариды (от латинского mucos слизь), представляют собой сильно гидратированные, желеподобные, липкие
вещества, имеющие значительный отрицательный заряд. Они обычно находятся
в межклеточном веществе и связаны с белками, вот почему зачастую их относят классу протеогликанов. На рисунках ниже представлен участок внеклеточной матрицы (гликокаликс) представляющий собой длинную молекулу гиалуроновой кислоты нековалентно связанной с примерно 100 молекулами основного белка аггрекана, который в свою очередь ковалентно связывает хондроитин сульфат и кератан сульфат. В качестве примеров изолированных гетерополисахаридов можно привести гиалуроновую кислоту, хондроитин-4-сульфат,
хондроитин-6-сульфат, кератансульфат, гепарин, гепарансульфат. Гиалуроновая кислота содержит D-глюкуроновую кислоту и N-ацетил-D-глюкозамин, а
остальные - сульфатированные аминосахара и D-глюкуроновую или Lидуроновую кислоты. В кератансульфате вместо гексуроновых кислот содержится D-галактоза.
62
Взаимосвязь между клетками и внеклеточной матрицей осуществляется
через мембранный белок интегрин и внеклеточный белок фибронектин связанный с коллагеновыми фибриллами и протеогликаном
Протеогликан внеклеточной матрицы представляет собой длинную молекулу гиалуроновой кислоты нековалентно связанную с примерно 100 молекулами основного белка аггрекана, который в свою очередь ковалентно связывает
хондроитин сульфат и кератан сульфат.
63
3.5. Биологические функции углеводов
К наиболее важным функциям полисахаридов относятся: энергетическая,
опорная, защитно-механическая, связующая и структурная.
Энергетическая функция. Ее выполняют резервные гомополисахариды
- крахмал и гликоген. При необходимости гликоген быстро расщепляется с образованием легхоусвояемого источника энергии - глюкозы. Крахмал пищи также распадается до глюкозы под действием ферментов пищеварительного тракта. За счет окисления углеводов удовлетворяется половина потребностей человека в энергии.
Опорную функцию выполняет целлюлоза в растительных организмах и
хондроитинсульфаты в костной ткани.
Защитно-механическая - типичная функция гетерополисахаридов. Высокая вязкость и слизеподобная консистенция объясняет их роль защищающего
поверхность клеток. Выстилая трущиеся поверхности сосудов, мочеполовых
путей, пищеварительного тракта, слизистой носа, трахеи, бронхов, суставов
(синовиальная жидкость) и т.д., они предохраняют их от механического повреждения.
Связующая, или структурная, функция - кислые гетерополисахариды
являются структурным межклеточным веществом, одновременно выполняющим функцию биологического цемента (например гиалуроновая кислота). Углеводы - обязательный компонент большинства внутриклеточных структур, а в
растительных организмах - основа клеточных мембран.
Гидроосмотическая и ионрегулирующая функции. Кислые гетерополисахариды, благодаря высокой гидрофильности и отрицательному заряду,
способны удерживать большие количества воды и катионов. Например, гиалуроновая кислота связывает воду и катионы, регулируя межклеточное осмотическое давление. Подобно осмометру, эта кислота препятствует излишнему скоплению свободной воды в межклеточном пространстве.
Кофакторная функция. Некоторые гетерополисахариды, такие как гепарин и гепарансульфат, действуют как кофакторы ферментов. Гепарин проявля64
ет свойства тех ферментных белков, у которых он играет роль кофактора. Поэтому он осуществляет антисвертывающую функцию (задерживает свертывание крови) и антилипемическую (снижает уровень липидов в крови, активируя
их расщепление). На практике гепарин и сульфатированные синтетические полисахариды (гепариноиды) широко применяют как антикоагулянты и противоатеросклеротические препараты.
Синтетическая функция. Углеводы используются для синтеза соединений других классов: нуклеиновых кислот, нуклеотидных коферментов, липидов, белковых аминокислот, гликопептидов и т.д.
65
Глава 4. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
Нуклеиновым кислотам принадлежит важнейшая роль в обеспечении
специфического синтеза биополимеров в организме человека, животных, растений и микробов: нуклеиновые кислоты обеспечивают хранение и передачу
наследственной информации, непосредственно участвуют в механизмах реализации этой информации путем программирования синтеза всех клеточных белков. Кроме того, нуклеиновые кислоты принимают непосредственное участие в
обмене веществ, а также в аккумулировании, переносе и трансформации энергии.
4.1. Общая характеристика нуклеиновых кислот
Известны два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты
(РНК) и дезоксирибонуклеиновые (ДНК). Нуклеиновые кислоты - высокомолекулярные соединения. Их молекулы имеют нитевидную форму, вследствие чего
их растворы характеризуются высокой вязкостью. Длина молекул ДНК в клетках человека достигает несколько сантиметров; общая длина ДНК в 23 парах
хромосом равна примерно 1,5 м. Клетки бактерий и вирусов часто содержат
единственную молекулу ДНК. Молекулы РНК короче: длина их обычно не
больше 0,01 мм.
Молекулярная масса ДНК зависит от степени сложности живого объекта:
у бактерий она составляет 2·109 Да (а.е.м.), у человека и животных достигает
1011 Да.
РНК имеют значительно меньшую молекулярную массу, чем ДНК. В зависимости от выполняемой функции и молекулярной массы выделяют следующие типы РНК информационная или матричная (мРНК), транспортная (тРНК)
и рибосомная (рРНК). Разные рРНК различаются по молекулярной массе (табл.
5).
Нуклеиновые кислоты в клетках всех вирусов, бактерий, животных и растительных организмов находятся в составе сложных белков - нуклеопротеидов.
Лишь тРНК обнаруживается в свободно растворенном состоянии в цитозоле.
66
Основные нуклеопротеиды - это хроматин (дезоксирибонуклеопротеид) и рибосомы (рибонуклеопротеид).
Таблица 5
Краткая характеристика нуклеиновых кислот клеток высших организмов
Тип
Молекуляр- Локализация в
Функция
нуклеиновой ная масса, Да
клетке
кислоты
ДНК
1011
Ядро,
Хранение генетической информамитохондрии ции и участие в передаче ее при делении клетки.
4
мРНК
4·10 –
Ядро,
Является комплиментарной участ6
1,2·10
цитоплазма ку ДНК, содержащему информацию о первичной структуре белка.
Переносит информацию от ДНК к
месту синтеза белка - рибосомам
4
тРНХ
2,5·10
Гиалоплазма, Участвует в активировании аминомитохондрии кислот, их транспорте к рибосомам
для синтеза белка
6
рРНК
0,7·10 ;
Рибосомы ци- Образует скелет рибосом, который
6
1,5-1,75·10
топлазмы окутывается белками рибосом. Играет вспомогательную роль при
6
0,6·10 ;
Рибосомы ми- синтезе белка на рибосомах
6
1,1·10
тохондрий
~4·104.
Все рибосомы
В фазе покоя клетки хроматин равномерно распределен по всему объему
ядра и не обнаруживается обычными микроскопическими методами. В фазе деления клетки хроматин образует компактные частицы - хромосомы, которые
видны в микроскоп (часто под термином "хромосомы" понимают хроматин),
хроматин содержит до 10% РНК. Две третьих оставшейся массы хроматина белки, одна третья - ДНК. Половина всех белков хроматина - гистоны, для которых характерно высокое содержание лизина и (или) аргинина; это придает им
щелочной характер и способность взаимодействовать с кислотными группами
ДНК.
67
Рибосомы - субклеточные частицы (см. рис. Стр.117) с молекулярной
массой 4,5млн. Да, и коэффициентом седиментации 80S. Они состоят из двух
субъединиц большой (коэффициент седиментации 60) и малой (40S).
Большая 6ОS-субъединица составлена из двух молекул РНК (23S и 5S) и
примерно 34 молекул белка. Меньшая 40S-субъединица содержит одну молекулу РНК (18S), состоящую из 1700 нуклеотидов, и 21 молекулу белка. Рибосома в целом функционирует как устройство для синтеза белков.
Общее, содержание ДНК и РНК в клетках зависит от их функционального состояния. Например, в сперматозоидах количество ДНК достигает
60% (в пересчете на сухую массу клеток), в большинстве клеток -1-10, а в
мышцах - около 0,2%. Доказано, что количественное содержание ДНК в клетках одного и того же организма отличается удивительным постоянством, однако различается для клеток разных организмов.
Содержание РНК, как правило, в 5-10 раз больше, чем ДНК. Соотношение РНК/ДНК в печени, поджелудочной железе, эмбрионах и других
тканях, активно синтезирующих белок, составляет от 4 до 10. В тканях с умеренным синтезом белка это соотношение колеблется от 0,3 до 2,5. Особое место
занимают вирусы. У них в качестве генетического материала может быть либо
ДНК (ДНК - вирусы), либо РНК (РНК - вирусы).
В клетках бактерий, не имеющих ядра (прокариоты), молекула ДНК
(хромосома) находится в специальной зоне цитоплазмы - нуклеозиде.
В клетках, имеющих ядро (эукариоты), ДНК распределена между ядром,
где она входит в состав хромосом (хроматин) и ядрышка, внеядерными органоидами (митохондриями и хлоропластами). Примерно 1-3% ДНК клетки приходится на внеядерную ДНК, остальное сосредоточено в ядре. Значит, наследственные свойства характерны не только для ядра, но и для митохондрий и
хлоропластов клеток.
РНК в отличие от ДНК распределена по клетке более равномерно, это говорит о том, что функции РНК более многообразны. В клетках высших орга68
низмов около 11% всей РНК находится в ядре, около 15% - в митохондриях,
50% - в рибосомах, и 24% - в гиалоплазме.
4.2. Химический состав и строение нуклеиновых кислот
Нуклеиновыми кислотами называются высокомолекулярные соединения
(полинуклеотиды), состоящие из остатков мононуклеотидов.
Мононуклеотиды (нуклеотиды) построены из трех компонентов: азотистого основания (пиримидинового или пуринового), пентозы (рибоза или дезоксирибоза) и одной или нескольких фосфатных групп.
В составе нуклеотидов выделяют более простой структурный компонент нуклеозиды, состоящие из азотистого основания и пентозы.
Азотистые основания делят на главные и редкие (минорные). К главным
пуриновым основаниям относятся аденин и гуанин; к пиримидиновым - цитозин, урацил и тимин. В ДНК входят аденин, гуанин, цитозин, и тимин, а в РНК все те же основания, кроме тимина, который заменен урацилом. Главные азотистые основания имеют следующее строение:
Пиримидин
Пурин
Цитозин (Ц)
Урацил (У)
Аденин (А)
Тимин (Т)
Гуанин (Г)
Минорные основания встречаются главным образом в тРНК. К ним относятся дополнительно метилированные пуриновые и пиримидиновые основания.
В нуклеозидах атом углерода пентозы С-1´ связан с первым атомом азота
(N-1) пиримидинового или с девятым атомом азота (N-9) пуринового основа69
ния. Пентоза в рибонуклеозидах - рибоэа, а в дезоксирибонуклеозидах - дезоксирибоза. Основные рибонуклеозиды - аденозин, гуанозин, цитидин и уридин.
Основные дезоксирибонуклеозиды - дезоксиаденозин, дезоксигуаноэин, дезоксицитидин и дезокситимидин.
Нуклеотиды представляют собой фосфорные эфиры нуклеозидов - нуклеозидфосфаты, образующиеся в результате этерификации гидроксильной
группы при пятом атоме углерода пентозы (С - 5').
Удлинение фосфатного конца мононуклеотида за счет присоединения дополнительных фосфатов приводит к образованию нуклеозидполифосфатов.
Ниже приведены примеры нуклеозидов, нуклеотидов и нуклеозидполифосфата:
O
NH2
N
N
HN
N
N
9
N
N
HO-CH2
HO-CH2
1`
H
H
H
OH
OH
HO-CH2
Аденозин
1`
H
H
OH
OH
Уридин
H
Дезоксиаденозин
NH2
NH2
N
N
N
N
OH
`
5
HO-P-O-CH2
O
1`
H
H
H
OH
O
O
H
N
N
N
H
H
9
1
O
O
H
NH2
N
N
H
H
OH
`
5
HO-P-O-CH2
O
H
O
H
OH
N
N
H
O
H
H
H
OH
OH
Аденозин-5´-монофосфат
(АМФ)
H
Дезоксиаденозин-5´-монофосфат
(дАМФ)
70
Чаще всего в клетках встречаются нуклезиддифосфаты и нуклеозидтрифосфаты.
Мономерами РНК являются рибонуклеозидмонофосфаты, a мономерами
ДНК – дезоксирибонуклеозидмонофосфаты. Ниже приводятся названия и сокращенные обозначения нуклеозидфосфатов:
Название
Сокращенные обозначения
Рибонуклеозидфосфаты
Аденозин моно-, ди-, трифосфат
АМФ, АДФ, АТФ
Гуанозин моно-, ди-, трифосфат
ГМФ, ГДФ, ГТФ
Цитидин моно-, ди-, трифосфат
ЦМФ, ЦДФ, ЦТФ
Уридин моно-, ди-, трифосфат
УМФ, УДФ, УТФ
Дезоксирибонуклеозидфосфаты
Дезоксиаденозин моно-, ди-, трифосфат
дАМФ, дАДФ, дАТФ
Дезоксигуанозин моно-, ди-, трифосфат
дГМФ, дГДФ, дГТФ
Дезоксицитидин моно-, ди-, трифосфат
дЦМФ, дЦДФ, дЦТФ
Дезокситимидин моно-, ди-, трифосфат
дТМФ, дТДФ,дТГФ
Нуклеозидмонофосфаты кроме того называют следующим образом:
АМФ-адениловая кислота, ГМФ-гуаниловая, ЦМФ-цитодиловая и УМФуридиловая кислота. В случае дезоксирибонуклеозид-монофосфатов добавляется приставка «дезокси», а вместо уридиловой кислоты в составе ДНК встречается дезокситимидиловая (дТМФ).
71
Нуклеозидди- и трифосфаты содержат фосфодиэфирные высокоэнергетические связи, т.е. связи, при гидролизе которых освобождается значительное
количество энергии (около 50 кДж/моль). Поэтому эти соединения участвуют в
реакциях синтеза биологических веществ как источник энергии. Особенно уникальную роль в превращениях энергии в организме выполняет аденозинтрифосфат (АТФ).
4.3. Уровни структурной организации нуклеиновых кислот
Нуклеиновые кислоты имеют первичную, вторичную и третичную структуру.
Первичная структура нуклеиновых кислот
Первичной структурой нуклеиновых кислот называют порядок чередования нуклеотидов (нуклеозидионофосфатов) в полинуклеотидной цепи.
Мономеры в молекулах нуклеиновых кислот соединены сложноэфирной
связью, образованной 5´- гидроксильной группой фосфатного остатка одного
мононуклеотида и 3´ - гидроксильной группой пентозного остатка другого мононуклеотида (3', 5' - фосфодиэфирная связь). Ниже приведены фрагменты первичной структуры ДНК и РНК:
72
Линейные цепи ДНК и РНК, длина которых зависит от числа входящих в
цепь нуклеотидов, имеют два конца: на одном имеется 5'- фосфатная ОН- группа (5'-конец), на другом - свободная З'-ОН- группа (3'-конец).
73
Разные нуклеиновые кислоты отличаются друг от друга фактически чередованием азотистых оснований, так как пентозофосфатные части у всех мономеров одинаковы. Для краткого изображения первичной структуры нуклеиновых кислот пользуются однобуквенными символами азотистых оснований.
Первичная структура РНК может быть представлена такой записью:
(5´) А - У - А - А - Г - У - Ц - У-… (3-).
Запись структуры ДНК отличается приставкой «д» (дезокси) и вместо символа
«У» встречается символ «Т» :
(5´) д (А - Т - А - Ц - Г - Т - А -...) (3').
Принимая средний молекулярный вес нуклеотидного остатка равным 330,
легко подсчитать коэффициенты поликонденсации мономеров в молекулах
нуклеиновых кислот. Учитывая, что молекулярная масса ДНК больше, чем
РНК, для первых коэффициент поликонденсации всегда выше, чем для вторых.
Генетический «текст» ДНК составлен с помощью кодовых «слов» - триплетов нуклеотидов (кодогенов). Участки ДНК, содержащие информацию о
первичной структуре всех типов РНК, называют структурными генами.
Порядок чередования нуклеотидов в РНК тот же, что и в копируемом
участке ДНК, с той лишь разницей, что РНК состоит из рибонуклеотидов и
вместо тимина в РНК - урацил.
Первичная структура мРНК (набор кодонов) скопирована с участка ДНК,
содержащего информацию о первичной структуре белковой молекулы (набор
кодогенов). Первичная структура остальных типов РНК (тРНК, рРНК, редкие
РНК) является окончательной копией генетической программы соответствующих структурных генов ДНК.
В клетках высших организмов имеется 3 вида рРНК, различающихся по
молекулярной массе (см.табл. 5), несколько десятков видов тРНК и огромное
количество видов мРНК - не меньше, чем число разных белков в организме.
Первичная структура нуклеиновых кислот определяет высшие уровни их организации - вторичную и третичную структуру.
74
Вторичная структура ДНК
Изучая состав ДНК, Чаргафф в 1949 г. установил важные закономерности, касающиеся отдельных оснований ДНК. Они помогли раскрыть вторичную структуру ДНК. Эти закономерности называют правилами Чаргаффа:
1) сумма пуриновых нуклеотидов равна сумме пиримидиновых нуклеотидов, т.е. А+ГУЦ+Т = 1;
2) содержание аденина равно содержанию тимина: А=Т;
3) содержание гуанина равно содержанию цитозина: Г=Ц;
4) количество аденина и цитозина равно количеству гуанина и тимина:
А+Ц=Г+Т;
5) изменчивы только суммы А+Т и Г+Ц. Если А+Т>Г+Ц, то это AT - тип
ДНК; если Г+Ц>А+Т, то это ГЦ-тип ДНК.
Эти правила говорят о том, что при построении ДНК должно соблюдаться довольно строгое соответствие не пуриновых и пиримидиновых оснований вообще, а конкретно тимина с аденином и цитозина с гуанином.
На основании правил Чаргаффа и рентгеноструктурных исследований
Дж. Уотсон и Ф. Крик ( Великобритания ) предложили модель строения ДНК
(1953), основные черты которой сформулированы ниже.
1. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, ориентированных антипараллельно и на всем протяжении связанных друг с другом
водородными связями.
2. Водородные связи между цепями образуются за счет специфического
комплементарного взаимодействия аденинового остатка одной цепи с тиминовым остатком другой цепи (пара А - Т) и гуанинового остатка одной цепи с цитозиновым остатком другой цепи (пара Г - Ц):
Основания А и Т, Ц и Г комплементарны друг другу в том смысле, что
между ними легче возникают водородные связи, чем при других сочетаниях
(например, А и Г, Ц и А и т.д.).
75
Тимин
Аденин
Цитозин
Гуанин
3. Первичная структура одной цепи молекулы ДНК комплементарна первичной структуре другой цепи. Это можно показать следующей схемой:
Таким образом, если известна первичная структура одной цепи, легко
может быть написана, исходя из правил комплементарности, первичная структура другой цепи.
4. Обе цепи закручены в спираль, имеющую общую ось; цепи могут быть
разъединены только путем раскручивания. Пуриновые и пиримидиновые основания обращены внутрь спирали; их плоскости перпендикулярны оси спирали и
параллельны друг другу, образуя таким образом стопку оснований. Между основаниями в этой стопке возникают гидрофобные взаимодействия, которые
стабилизируют двойную спираль даже больше, чем водородные связи между
цепями. Пентозофосфатные части располагаются по периферии, образуя ковалентный остов спирали. По Уотсону и Крику: расстояние между витками (шаг
спирали) равно 3,4 нм. На этом участке укладывается 10 нуклеотидных остатков, размер одного нуклеотида 0,34 нм, диаметр биспиральной молекулы равен
1,8 нм.
76
Рис. Схематическое изображение двойной спирали ДНК:
а - по Уотсону и Крику; б - А-форма ДНК; в - В-форма ДНК (С - остаток
дезоксирибозы; Р - остаток фосфорной кислоты)
В настоящее время методами рентгеноструктурного анализа установлено
существование четырех форм ДНК: А, В, С, Т. Простейшие из них А и В. У
формы А наблюдается смещение пар оснований от оси молекулы к периферии,
поэтому уменьшается шаг спирали до 2,8 нм, и в одном витке 11 мононуклеотидов вместо 10. В-форма приближается к модели Уотсона и Крика: шаг спирали 3,4 нм, диаметр биспирали - 1,7 нм . Между А- и В- формами ДНК осуществляются взаимопереходы, которые могут быть вызваны растворителями
или белками. В этих переходах, очевидно, заключен определенный биологический смысл. Предполагается, что в А-форме ДНК выполняет роль матрицы в
процессе транскрипции (синтез РНК на матрице ДНК), а в В-форме - роль матрицы в процессе репликации (синтез ДНК на матрице родительской ДНК).
Установлено, что в клетках ряда бактерий и вирусов ДНК существует в
виде одноцепочечной молекулы, вторичная структура которой представляет
собой сочетание неспирализованных участков с участками спирали, образованной за счет взаимодействия комплементарных друг другу оснований.
77
Описанная структура ДНК позволяет объяснить молекулярный механизм
функциональных биологических явлений, таких как самовоспроизведение организмов, наследственность, изменчивость. Поэтому. 1953 г., когда Ф. Крик и
Дж. Уотсон разработали модель строения ДНК, принято считать годом рождения молекулярной биологии.
Вторичная структура РНК
Молекулы РНК в отличие от ДНК построены из одной полинуклеотидной
цепи. Однако в этой цепи (для рРНК и мРНК) имеются комплементарные друг
другу участки, которые могут взаимодействовать, образуя двойные спирали.
При этом соединяются водородными связями нуклеотидные пары А-У и Г-Ц.
Такие спирализованные участки (их называют шпильками) обычно содержат
небольшое количество нуклеотидных пар (до 20-30) и чередуются с неспирализованными участками.
Характерную вторичную структуру имеют тРНК. Они содержат четыре
спирализованных участка и три (четыре) одноцепочные петли. При изображении такой структуры на плоскости получается фигура, называемая «клеверным
листом» (рис. справа).
Рис.. Вторичная (справа) и третичная (слева) структура тРНК
78
Все несколько десятков разных тРНК клетки имеют общий план пространственной структуры, но различаются в деталях. В тРНК выделяют следующие структурные участки.
1. Акцепторный конец - во всех типах тРНК имеет состав ЦЦА. К гидроксилу З'-ОН аденозина карбоксильной группой присоединяется аминокислота,
которую данная тРНК доставляет к рибосомам, где происходит синтез белка.
2. Антикодоновая петля - содержит специфический для каждой тРНК
триплет нуклеотидов (антикодоны). Антикодон комплементарен кодону мРНК.
Кодон-антикодоновое взаимодействие определяет порядок чередования аминокислот в белковой молекуле при синтезе ее на рибосомах.
3. Псевдоуридиловая петля (Г,С) - участвует в связывании тРНК с рибосомой.
4. Дигидроуридиловая (D) петля необходима для связывания с ферментом
аминоацил-тРНК-синтетзой, которая участвует в узнавании аминокислотой
своей тРНК.
5. Добавочная петля - разная у разных тРНК.
Третичная структура РНК и ДНК
Пространственная конфигурация спирализованной полинуклеотидной
цепи (третичная структура) достаточно полно выяснена для молекул РНК.
Установлено, что нативные молекулы тРНК имеют примерно одинаковую третичную структуру, которая отличается от плоской структуры «клеверного листа» (вторичная структура) большей компактностью за счет складывания различных частей молекулы (см. рис выше).
Для рРНК и мРНК возможно существование, а зависимости от концентрации солей и температуры, трех видов третичной структуры (рис. ниже).
Первый - рыхлый беспорядочный клубок или распрямленная цепь (при повышении температуры и отсутствии солей). Второй вариант - компактный клубок
с двуспиральными участками (высокая ионная сила, комнатная температура).
Третий вид - компактная палочка с упорядочение ориентированными двуспи79
ральными участками (низкая ионная сила, комнатная температура). Все три типа третичной структуры РНК связаны взаимными переходами.
Третичная структура ДНК зависит от того, сколько цепочек полинуклеотидов (одна или две) в ДНК. В ряде вирусов обнаружены одноцепочечные ДНК
линейной и кольцевой формы. Двуцепочечные спиралевидные молекулы ДНК
также могут существовать в линейной и кольцевой форме; образование последней вызвано ковалентным соединением их открытых концов.
Рис. Третичная структура: А - ДНК: 1 - линейная одноцепочечная бактериофаг ФХ174 (и др. вирусов); 2 - кольцевая одноцепочечная ДНК вирусов и
митохондрий; 3 - кольцевая двойная спираль ДНК; Б - РНК: 1 - рыхлый клубок
или распрямленная цепь; 2 - компактная палочка; 3 - компактный клубок
Кроме того, полагают, что биспиральные молекулы ДНК существуют в
хромосомах в виде вторично спирализованных фрагментов, связанных друг с
другом (суперспираль). Поэтому молекулярный вес нативной ДНК достигает
нескольких сотен миллионов. Следовательно, молекулы с молекулярной массой
10.000.000 являются субъединицами более крупных молекулярных образований
(третичная структура). Именно суперспирализация обеспечивает экономную
упаковку огромной молекулы ДНК в хромосоме: вместо 8 см длины, которую
она могла бы иметь в вытянутой форме, она занимает всего 5 нм.
80
Глава 5. ЛИПИДЫ
5.1. Общая характеристика и классификация липидов
Липиды - весьма разнообразные по своему химическому строению природные органические соединения, нерастворимые в воде и растворимые в органических растворителях. Одной из главных групп липидов являются жиры,
греческое название которых (липос - жир) взято для обозначения класса в целом. Все сходные с жирами по растворимости соединения, входящие в класс
липидов, составляют группу липоидов (жироподобных веществ).
Таким образом, класс липидов в целом представлен жирами и липоидами.
В химическом отношении класс липидов является сборной группой органических соединений и не имеет единой функциональной характеристики. Главными признаками, которые позволяют отнести какое-либо вещество к классу липидов, являются:
- биологическое происхождение;
- гидрофобность (растворимость в неполярных жидкостях и нерастворимость в воде);
- наличие высших алкильных радикалов или карбоциклов. Имеются разные классификации липидов: структурная, физико-химическая и биологическая.
Структурная классификация, учитывающая строение липидов, наиболее
сложна. Все липиды можно разделить на две группы:
1) липиды, не подвергающиеся гидролизу (липидные мономеры);
2) липиды, подвергающиеся гидролизу (многокомпонентные липиды).
К первой группе относятся:
1. Высшие углеводороды.
2. Высшие алифатические спирты, альдегиды, кетоны.
3. Изопреноиды и их производные.
4. Высшие аминоспирты (сфингозины).
5. Высшие полиолы.
6. Жирные кислоты.
81
Вторая группа (многокомпонентные липиды) включает следующие подгруппы:
1. Простые липиды (эфиры, состоящие из липидных мономеров).
1.1. Воски (эфиры высших одноатомных спиртов).
1.2. Простые диольные липиды, или ацилдиолы (эфиры двухатомных
спиртов).
1.3. Глицериды, или ацилглицерины (эфиры трехатомного спирта глицерина).
1.4. Стериды (эфиры стеринов).
2. Сложные липиды.
2.1. Фосфолипиды (фосфорные эфиры липидов).
2.1.1. Фосфоглицериды (фосфорные эфиры глицеридов).
2.1.2. Диольные фосфатиды (фосфорные эфиры диольных липидов).
2.1.3. Сфингофосфатиды (фосфорные эфиры N-ацилсфингозина).
2.2. Гликолипиды
2.2.1. Цереброзиды.
2.2.2. Ганглиозиды.
2.2.3. Сульфатиды.
Физико-химическая классификация учитывает степень полярности
липидов. Все липиды делятся на нейтральные (неполярные) и полярные. К первому типу относят липиды, не имеющие заряда. Ко второму типу - липиды,
имеющие заряд и обладающие полярными свойствами (например, фосфолипиды, жирные кислоты).
По биологическому значению липиды делят на резервные и структурные.
Резервные - депонируются в больших количествах и затем расходуются для
энергетических нужд организма. К ним относят ацилглицерины. Все остальные
липиды можно отнести к структурным липидам. Они не имеют такой энергетической ценности как резервные и участвуют в построении биологических мембран, защитных покровов растений и кожи позвоночных. Липиды составляют
примерно 10-20 % от массы человеческого организма. В среднем в теле взрос82
лого человека содержится 10-12 килограмм липидов, из них 2-3 приходится на
структурные липиды, а остальные - на резервные. Около 98% последних находится в жировой ткани. Структурные липиды по тканям распределены неодинаково. Особенно богата ими нервная ткань (до 20-25 %), в биологических
мембранах клетки липидов составляют 40 % от сухой массы.
5.2. Липидные мономеры
1. Высшие углеводороды. Эта группа соединений включает липиды
простейшего типа. В природе встречается больше нормальных, разветвленных
и ненасыщенных высших углеводородов, чем в составе высших организмов,
для которых они не имеют существенного значения.
2. Высшие алифатические спирты, альдегиды, кетоны.
Встречаются в свободном виде, но чаще в составе многокомпонентных
липидов. Ненасыщенные алифатические альдегиды участвуют в образовании
ацетальфосфатидов. Высшие кетоны чаще встречаются в свободном виде у бактерий. В организмах насекомых содержатся разветвленные ненасыщенные кетоны. Высшие алифатические спирты входят в состав восков и имеют четное
число атомов углерода в радикале. К наиболее важным относятся следующие
спирты:
цетиловый CH3-(CH2)14-CH2ОH - содержится в спермацете;
цериловый СН3-(СН2)24-СН2ОН - в пчелином воске;
монтановый СН3-(СН2)26-СН2ОН - в пчелином воске;
олеиловый СН3-(СН2)7-СН=СН-(СН2)7-СН2ОН - в спермацете, рыбьем жире.
3. Изопреноиды и их производные. Это обширная группа биологически
важных липидов - производных изопрена:
CH2 = C - CH = CH2
CH3
Среди изопреноидов следует выделить терпены и стероиды. Терпены
различают по количеству входящих в их структуру изопреновых единиц. Терпены, состоящие из двух изопреновых единиц - монотерпены, из трех - сесквитерпены, из 4,6,8 единиц - соответственно дитерпены, тритерпены, тетратерпены.
83
Монотерпен ментол содержится в масле мяты, обладает анальгетическим,
анестезирующим и антисептическим действием. Используется в составах для
ингаляции, различных кремах и мазях, а также в кондитерской промышленности. Монотерпеновый кетон - камфора - широко используется в косметических
и лекарственных препаратах, в бальзамирующих жидкостях, а также как отхаркивающее средство, Тритерпены сквален и ланостерин являются предшественниками при синтезе холестерина в тканях. Важную роль в процессах жизнедеятельности играют каротиноиды, относящиеся к тетратерпенам. Примером может служить β-каротин - провитамин А. К дитерпеновым спиртам относятся
фитол и ретинол. Первый участвует в построении хлорофилла и филлохинона
(витамина K1), а второй является жирорастворимым витамином (витамин А).
Стероиды - соединения, содержащие углеродный скелет циклопентанпергидофенантрена, или стерана:
Стероиды являются производными циклических тритерпенов, при биосинтезе которых используются изопреновые единицы. Большинство стероидов
являются спиртами, которые называют стеринами или стеролами. Стерины содержатся в животных и растительных организмах, у бактерий они отсутствуют.
Родоначальником большой группы биологически важных соединений является
холестерин:
Холестерин
В тканях он находится в свободном виде или в виде эфиров (стеридов),
общая формула которых изображена ниже. Холестерином богаты ткани живот84
ных, он содержится в больших количествах в нервной ткани, надпочечниках,
печени. Холестерин - структурный липид, он входит в состав биологических
мембран клеток, причем больше его в клеточной мембране, чем в других мембранах - митохондрий, микросом, ядра и т.д. Среди стероидных соединений
животного и растительного происхождения можно отметить следующие биологически активные производные холестерина: желчные спирты и желчные кислоты, гормоны, витамины (D) , стероидные гликозиды (образуются » растениях,
используются как эффективные сердечные препараты), стероидные алкалоиды
(используют в лекарственных препаратах, могут повышать кровяное давление
и, действуя на ЦНС позвоночных, вызывают паралич дыхания).
Холестерид
4. Высшие аминоспирты - производные сфингозина, они входят в состав
многокомпонентных липидов - сфинголипидов. В сфинголипидах присутствуют сфингозин или дигидросфингозин:
CH3 - (CH2)12 - CH = CH - CH - CH - CH2OH
OH NH2
Сфингозин
CH3 - (CH2)12 - CH2 - CH2 - CH - CH - CH2OH
OH NH2
Дигидросфингозин
5. Высшие полиолы - сравнительно, немногочисленная группа липидных мономеров, встречаются у микроорганизмов, участвуют в образовании
простых и сложных диольных липидов тканей животных.
85
6. Жирные кислоты - карболовые кислоты с длинным, преимущественно неразветвленным, радикалом. Они обычно имеют четное число
атомов углерода, встречаются в свободном виде и входят в состав жиров.
Наиболее важные жирные кислоты приведены в табл.6.
Таблица 6
Важнейшие природные жирные кислоты
Название
Строение
Природный источник
Насыщенные кислоты
Лауриновая (С12)
СН3-(СН2)10-СООН
Липиды молока
Миристиновая (С14)
СН3 - (СН2)12 - СООН
Животные и растительные липиды
Пальмитиновая (С16) СН3 - (СН2)14 - СООН
Липиды всех животных
тканей
Стеариновая (С18)
СН3 - (СН2)16 - СООН
Липиды всех животных
тканей
Арахиновая (С20)
СНз - (СН2)18 - СООН
Арахисовое масло
Бегеновая (С22)
СНз-(СН2)20-СООН
Липиды животных тканей
Лигноцериновая (С24) СНз -(СН2)22 - СООН
Липиды мозга
Цереброновая (С24)
Липиды мозга
Олеиновая (С18)
Линолевая (С18)
Арахидоновая (С20)
Линоленовая (С18)
Нервоновая (С24)
Гидроксинервоновая
(С24)
СНз -(СН2)22 -СН(ОН)-СООН
Ненасыщенные кислоты
СНз-(СН2)7-СН=СН-(СН2)7СООН
СНз-(СН2)4 - (СН=СН-СН2)2 (СН2)6 -СООН
СНз - (СН2)4 -(СН = СН-СН2)4
-(СН2)2-СООН
СНз -СН2 -(СН = СН-СН2)з (СН2)6-СООН
СН3-(СН2)7-СН=СН-(СН2)13 СООН
СНз -(СН2)7 -СН =СН (CH2)12-CH(OH)-COOH
Липиды тканей и природных масел
Фосфолипиды тканей и
масел
Фосфолипиды тканей
Фосфолипиды тканей
Цереброзиды спинного
мозга
Липиды мозга
В жировой ткани человека в наибольшем количестве содержатся: олеиновая (55%), пальмитиновая (20%), линолевая (10%) кислоты. Поэтому жир человека имеет низкую температуру плавления и находится в организме в жидком
состоянии (10-15 °С). Эти же кислоты в значительном количестве содержатся и
в других липидах (гликолипидах, фосфолипидах).
86
5.3. Многокомпонентные липиды
1. Простые липиды - большая группа соединений, являющихся сложными эфирами жирных кислот и спиртов. Сюда относятся воски, простые диольные липиды, ацилглицерины (жиры и масла) и стериды.
Воски - сложные эфиры жирных кислот и одноатомных спиртов, содержащих 16 и более атомов углерода. Например, основной компонент спермацета, содержащегося в голове кита - воск, получающийся по схеме:
СН3 – (CН2)14 - СН2 - ОН + С15Н31 - СООН →
метиловый спирт
пальмитиновая кислота
C15H31 - C - O - CH2 - (CH2)14 - CH3 + H2O
O
метиловый эфир пальмитиновой кислоты
Пчелиный воск - смесь различных сложных эфиров, один из которых цетиловый эфир пальмитиновой кислоты.
Строение воское определяет их высокую гидрофобность. Поэтому воски
образуют водоотталкивающее защитное покрытие (смазка) у листьев и плодов
растений, кожи, шерсти животных, перьев у птиц, наружного скелета насекомых.
Простые диольные липиды - простые (I) или сложные (И) эфиры двухатомных спиртов (например, этиленгликоля), содержащие высшие радикалы;
эта группа липидов открыта недавно и содержится в незначительном количестве в тканях млекопитающих и семенах растений:
CH2 - O - CH2 - R
CH2 - O - CO - R
(I)
( II )
CH2 - O - CH2 - R
CH2 - O - CO - R
Глицериды, или ацилглицерины (жиры и масла) - наиболее распространенная группа простых липидов. По химическому строению они являются эфирами трехатомного спирта глицерина и жирных кислот. Глицериды из-за их
нейтрального характера называют нейтральными липидами. Глицериды делятся
на моно-, дм- и триацилглицерины, содержащие соответственно 1, 2 и 3 эфиросвязанных ацила (RСО-).
87
CH2 - O - CO - R
CH2 - O - CO - R
CH2 - O - CO - R
CH - OH
CH - O - CO - R
CH - O - CO - R
CH2 - OH
CH2 - OH
CH2 - O - CO - R
моноацилглицерин
диацилглицерин
триацилглицерин
Различают простые глицериды, содержащие остатки одной жирной кислоты, и смешанные, содержащие остатки двух или трех разных кислот.
Названия нейтральных липидов складываются из названий жирной кислоты и глицерина либо из названия жирной кислоты с окончанием -"ин".
Например: пальмитоилглицерин (пальмитоин) - моноацилглицерин, содержащий остаток пальмитиновой кислоты; тристеараггоилглицерин (тристеарин) триацилглицерин, содержащий три остатка стеариновой кислоты; диолеопальмитоилглицерин (диолеопальмитин) - триацилглицерин, содержащий два
остатка олеиновой кислоты и один остаток пальмитиновой кислоты.
Животные жиры, содержащие главным образом глицериды предельных
кислот, - твердые вещества. Растительные жиры, часто называемые маслами,
содержат глицериды непредельных кислот. Они являются преимущественно
жидкими, например, подсолнечное, льняное, оливковое масло и др.
Глицериды (жиры) способны вступать во все химические реакции, свойственные сложным эфирам. Наибольшее значение имеет реакция омыления, в
результате которой из триглицеридов образуется глицерин и жирные кислоты.
Омыление может быть ферментативным, кислотным и щелочным, в последнем
случае образуются не кислоты, а их соли:
CH2-O-CO-C15H31
CH2-OH
CH-O-CO-C17H33 + 3 NaOH
CH-OH + C15H31COONa + C17H33COONa + C17H31COONa + 3H2O
CH2-O-CO-C17H31
CH2-OH
Пальмитоолеолинолеин
Пальминат
натрия
Олеат
натрия
Линолеат
натрия
Глицерин
Для характеристики природных жиров используют следующие показатели:
88
Йодное число - число граммов йода, которое связывается 100г жира. Чем
больше ненасыщенных кислот в составе жира, тем больше йодное число. Для
говяжьего жира оно равно 32-47, бараньего - 35-46, свиного – 46-66.
Кислотное число - число миллиграммов КОН, необходимое для нейтрализации 1 г, жира. Это число показывает, сколько в жире свободных кислот.
Число омыления - число миллиграммов КОН, необходимое для нейтрализации всех жирных кислот, содержащихся в одном грамме жира, как свободных, так и связанных. Для говяжьего, бараньего и свиного жиров это число
примерно одинаково.
Стериды - эфиры стеринов и жирных кислот. Чаще всего встречаются
эфиры холестерина. Они содержатся в продуктах животного происхождения
(сливочном масле, желтках яиц, мозге). В организме человека и животных
большая часть холестерина (примерно 60-70%) находится в виде эфиров холестерина. В частности эфиры холестерина составляют основную часть общего
холестерина, входя в состав транспортных липопротеидов (см. рис. ниже), на
рисунке структура липопротеида низкой плотности плазмы крови человека.
Возможно, эфиры холестерина - это своеобразная форма создания запасов холестерина в тканях. Ланолин (овечий воск) - жир овечьей шерсти также является стеридом (смесь жирнокислотных эфиров ланостерина и агностерина) и
применяется в фармации в качестве мазевой основы для приготовления лекарственных мазей.
Структура липопротеина низкой плотности
89
2. Сложные липиды, в отличие от простых, содержат нелипидный компонент (остаток фосфорной кислоты или углевод и др.).
Фосфолипиды - фосфатзамещенные эфиры различных органических
спиртов (глицерина, сфингозинов, диолов). Все фосфолипиды - полярные липиды, содержащиеся в основном в клеточных мембранах (см. рис. Стр.63 изображен двойной фосфолипидный слой – желтые - радикалы высших жирных
кислот, синие шарики – полярные «головы» включающие остаток фосфорной
кислоты этерифицированной аминоспиртом или аминокислотой) Фосфолипиды
делят на фосфоглицериды (производные глицерина), диольные фосфатиды
(производные двухатомных спиртов), сфингофосфатиды и сфинголипиды (в
качестве спирта сфингозин).
Наиболее распространены и разнообразны фосфоглицериды. Все они содержат остаток фосфатидной кислоты (фосфатидил), соединенный с какимлибо аминоспиртом или аминокислотой .
Фосфатидил
Радикалы жирных кислот находятся в транс-положении (на рисунках
стр.63 и 89 они изображены желтым цветом). Ниже приведены формулы некоторых фосфоглицеридов:
фосфатидил - О - СН2 - СН2 - NH2 фосфатидилэтаноламин (коламин);
фосфатидил - О - СН2 - СН2 – N+(CH3)3 фосфатидилхолин (лецитин);
фосфатидил
фосфатидилсерин
- O - CH2 - CH - COOH
NH2
Гликолипиды - сложные липиды, содержащие углеводный компонент.
Простейшие гликолипиды - гликозилдиацилглицерины, в которых одна из
спиртовых групп глицерина замещена моносахаридом.
90
В животных тканях в большом количестве содержатся гликосфинголилиды; особенно много их в нервных клетках, где они, видимо, необходимы для
нормальной электрической активности и передачи нервных импульсов. К этим
липидам относятся: цереброзиды, ганглиозиды, сульфолипиды.
Цереброзиды - содержат в качестве углеводного компонента галактозу
или, что встречается очень редко, глюкозу. Эти липиды впервые были обнаружены в головном мозге, почему и получили такое название. Из жирных кислот
в составе цереброзидов наиболее часто встречаются лигноцериновая, цереброновая, нервоновая и гидроксинервоновая кислоты.
Сульфолипиды - сульфатные производные цереброзидов. Сульфатный
остаток присоединяется к третьему гидроксилу галактозы. Сульфолипиды обладают кислыми свойствами и участвуют в транспорте катионов из мембраны
нервных клеток и волокон.
Ганглиозиды в отличие от других гликосфинголипидов содержат олигосахарид, состоящий из разных моносахаридов. Компоненты и молекулярная
масса их сильно варьируют. Богаты ганглиозидами клетки коры головного мозга.
5.4. Биологические функции липидов
Липиды имеют следующие основные биологические функции.
1. Энергетическая. Эту функцию осуществляют ацилглицерины и свободные жирные кислоты. При окислении 1 г липидов выделяется 39,1 кДж
энергии, то есть больше, чем при окислении соответствующего количества белков и углеводов.
2. Структурная функция осуществляется фосфолипидами, холестерином
и его эфирами. Данные липиды входят в состав клеточных мембран, образуя их
липидную основу.
3. Транспортная функция. Фосфолипиды участвуют в транспорте веществ (например, катионов) через липидный слой мембран.
4. Электроизолирующая функция. Сфингомиелины и гликосфинголилиды являются своеобразным электроизолирующим материалом в миелиновых
91
оболочках нервов. Сфингомиелины содержат фосфохолин или фосфоэтаноламин, а гликоофинголипиды - моносахарид или олигосахарид, состоящий из галактозы и ряда аминосахаров. Общим компонентом у них является остаток
сфингозина.
5. Эмульгирующая функция. Фосфоглицериды, желчные кислоты (стерины), жирные кислоты, являются эмульгаторами для ацилглицеринов в кишечнике. Фосфоглицериды стабилизируют растворимость холестерина в крови.
6. Механическая функция осуществляется триацилглицеринами. Липиды соединительной ткани, окутывающей внутренние органы, и подкожного
жирового слоя предохраняют органы от повреждений при механических внешних воздействиях.
7. Теплоизолирующая функция заключается а том, что липиды подкожно-жирового слоя сохраняют теплоту благодаря их низкой теплопроводности.
8. Растворяющая функция. Желчные кислоты (стерины) являются растворителями для жирорастворимых витаминов в кишечнике.
9. Гормональная функция. Все стероидные гормоны, выполняющие самые разнообразные регуляторные функции, являются липидами. Простагландины – гормоноподобные липиды.
10. Витаминная функция. Все жирорастворимые витамины, выполняющие специальные функции, являются липидами.
92
Глава 6. Ферменты
Как известно, важнейшим свойством любого живого организма является
обмен веществ, ключевую роль в процессах которого играют ферменты или энзимы, которые по образному выражению И.П. Павлова, есть истинные двигатели всех жизненных процессов.
Ферменты - это катализаторы белковой природы, вырабатываемые живой
клеткой и ускоряющие протекание химических реакций внутри самой клетки и,
будучи извлеченными из нее, вызывают те же реакции вне организма.
Ферменты обеспечивают осуществление таких важнейших процессов
жизнедеятельности, как реализация наследственной информации, биоэнергетика, синтез и распад биомолекул. Этим объясняется особое внимание, уделяемое
исследованию ферментов.
Учение о ферментах (энзимология) традиционно занимает ведущее место
в биохимии, а сами ферменты являются наиболее изученным типом белков.
Многие свойства, характерные для всех белков, вначале были изучены на ферментах. Изучение ферментов имеет огромное значение для любой фундаментальной и прикладной области биологии, а также для многих отраслей химической, пищевой и фармацевтической промышленности, занятых приготовлением
катализаторов, антибиотиков, витаминов и других биоактивных веществ.
6.2. Химическая природа и структура ферментов
Подобно другим белкам ферменты имеют большую молекулярную массу
- от десятков тысяч до нескольких миллионов дальтон и четыре уровня структурной организации: первичный, вторичный, третичный и четвертичный.
Большинство ферментов обладают четвертичной структурой.
По своему строению ферменты, как и все белки, делят на простые (ферменты-протеины) и сложные (ферменты-протеиды, или холоферменты). Холоферменты состоят из белковой части - апофермента и небелковой - кофактора.
Различают две группы кофакторов: ионы; металлов и коферменты, представляющие собой низкомолекулярные органические вещества. Небелковый компо93
нент - кофактор в сложных ферментах, как правило, составляет незначительную
часть от всего фермента. Следует отметить, что апофермент и кофактор порознь мало активны или вообще неактивны, только их комплекс - холофермент
проявляет каталитические свойства.
Примерами простых ферментов являются пепсин, трипсин, папаин, уреаза, лизоцим, рибонуклеаза, фосфатаза и другие. Большинство природных ферментов - сложные белки.
В трехмерной структуре и простых, и сложных ферментов с функциональной точки зрения различают ряд участков, среди которых главными являются активный центр и аллостерический (регуляторный) центр.
Активный центр - участок, с которым связывается субстрат (вещество,
превращающееся под действием фермента). Обычно активный центр фермента
образуют 12-16 остатков аминокислот, в состав активного центра холофермента
входит также кофактор. В активном центре различают контактный участок,
связывающий субстрат, и каталитический участок, где происходит превращение субстрата после его связывания. Однако это деление условно, так как связывание субстрата в контактном участке влияет на специфичность и скорость
превращения его в каталитическом участке. У простых ферментов роль функциональных групп контактного и каталитического центра выполняют только
боковые радикалы аминокислот. У сложных ферментов главную роль в этих
процессах выполняют кофакторы. Они могут быть или прочно связаны с активным центром фермента, или могут легко отделяться от него при диализе. В первом случае кофакторы часто называют простетической группой, подобно тому,
как это принято для небелковой части неферментных белков. Но абсолютной
разницы между простетической группой и кофактором нет, так как одни и те же
соединения или ионы металлов могут быть и кофактором, и простетической
группой в различных ферментах.
Кроме активного центра у ферментов имеется регуляторный, или аллостерический центр, который пространственно разделен с активным центром.
Аллостерическим (от греческого alios - иной, чужой) он называется потому, что
94
молекулы, связывающиеся с этим центром, по строению (стерически) не похожи на субстрат, но оказывают влияние на связывание и превращение субстрата
в активном центре, изменяя его конфигурацию. Молекула фермента может
иметь несколько аллостерических центров.
6.3. Кофакторы ферментов
Ионы металлов как кофакторы ферментов
Примерно треть всех известных ферментов является металлозависимыми.
Роль металлов в этих ферментах различна. Металлоферменты делятся на следующие группы и подгруппы:
1. Ферменты, где ионы металлов выполняют роль активаторов (эти ферменты катализируют и без металла, но их активность снижается).
2. Ферменты, где ионы металлов выполняют роль кофактора (без ионов
металлов эти ферменты неактивны):
2.1) диссоциирующие металлоферменты - (ион металла легко диссоциирует от апофермента);
2.2) недиссоциирующие металлоферменты - металлопротеиды:
В роли кофактора могут выступать ионы различных металлов, чаще всего
это ионы Mg2+, Мп2+ ,Zn2+, Fe2+, Сu2+, Са2+, Со2+, Мо6+ , K+.
Существует несколько вариантов участия ионов металла в работе фермента. В большинстве случаев ноны металлов вступают в непрочную связь с
апоферментом, способствуя формированию каталитически активной третичной
и четвертичной структуры апофермента. Стабилизация возможна за счет образования солевых мостиков между ионом металла и карбококсильными группами кислых аминокислот при формировании третичной структуры или между
субъединицами при образовании четвертичной структуры. К числу таких ионов
относятся Mg2+, Мn2+ , Zn2+, Са2+ и другие. Например, ионы кальция стабилизируют третичную и четвертичнyю структуры α-амилазы, а ионы цинка - алкогольдегидрогеназы; макромолекулы этих ферментов в результате становятся
устойчивыми по отношению к пептигидролазам желудочно-кишечного тракта.
95
В составе металлопротеидов содержатся, как правило, металлы с переменной валентностью (железо, медь, кобальт, молибден). Наиболее многочисленны металлопродеиды класса оксидоредуктаз (катализ реакций окисления восстановления). Ионы металлов в этих ферментах сами участвуют в транспорте электронов, то есть выполняют функцию каталитического участка. Классическим примером ферментов этого типа служат цитохромы (см. главу 9).
Наконец, многие ионы металлов (Mg2+, Мn2+ , Zn2+ и другие) активно
участвуют в ферментативном катализе, связывая либо субстрат и фермент, либо
кофермент с апоферментом. Примером первого случая может служить образование тройного фермент - металл - субстратного комплекса при действии аргиназы, петигидролаз, карбоксилаз и других ферментов. Примером второго рода
является присоединение флавинового кофермента к апоферменту с помощью
ионов железа, молибдена, меди и цинка.
Коферменты
Многие коферменты являются производными витаминов и витаминоподобных веществ, табл.7 (см. главу 7). Поэтому недостаточное поступление витаминов с пищей сразу сказывается на синтезе коферментов, и, как следствие,
нарушаются функции соответствующих ферментов и обмен веществ в целом.
Таблица 7. Важнейшие коферменты и витамины, входящие в их состав
Кофермент
1
Коферменты дегидрогеназ:
1.Никотинамидадениндинуклеотид (НАД)
2.Никотинамидадениндинуклеотидфосфат
(НАДФ)
3. Флавинадениндинуклеотид (ФАД)
4.Флавиномононуклеотид (ФМН)
1
Кофермент аминофераз - пиридоксальфосфат
Кофермент ацилирования (КоА, Коэнзим А)
96
Основная
функция
2
Перенос
водорода
(электронов и
протонов)
Витамин
3
Витамин РР
(никотиновая
кислота,
никотинамид)
2
Перенос
аминогрупп
Перенос
ацильных
Витамин В2
(рибофлавин)
3
Витамин В6
(пиридоксин)
Пантотеновая
кислота
групп
Кофермент Q (KoQ коэнзим Q убихинон
Перенос
протонов и
электронов
Декарбоксилирование αкетокислот
Декарбоксилирование αкетокислот
Перенос одноуглеродных
групп
Перенос СО2
Перенос электронов
Перенос алкильных групп,
реакции изомеризации
Липоевая кислота
Тиаминпирофосфат
Тетрагидрофолиевая кислота (ТГФК)
Биоцитин (биотин)
Гем
Кобаламины
Убихинон
Витамин В1
(тиамин)
Фолиевая
кислота
Биотин
Витамин В12
(цианкобаламин)
Существует менее многочисленная группа коферментов, называемых невитаминными. Это производные нуклеотидов, моносахаридов, металлопорфиринов и некоторых пептидов.
Реакция образования холофермента Обратима:
кофермент + апофермент <=> холофермент.
В условиях живой клетки это равновесие иногда сильно смещено влево, и
кофермент присоединяется к апоферменту вместе с субстратом в момент реакции. Другой крайний случай - стабильные холоферменты, содержащие прочно
связанный кофермент, который в данном случае можно назвать простетической
группой. Такие ферменты являются сложными белками. Необходимое и самое
важное условие образования холофермента состоит в том, что структура кофермента должна быть комплементарна центру связывания апофермента.
6.4. Механизм действия ферментов
97
Механизм действия ферментов-протеидов и ферментов-протеинов однотипен и заключается в том, что ферменты ускоряют биохимическую реакцию за
счет понижения ее энергии активации (рис 15).
По современным представлениям в ходе ферментативной реакции выделяют ряд этапов:
1) диффузия молекулы субстрата к ферменту и стерическое связывание
его с активным центром фермента;
2) преобразование первичного промежуточного комплекса в один или более активированный фермент;
3) отделение конечных продуктов реакции от фермента и диффузия их в
окружающую среду.
Ход реакции
Ход реакции
а)
б)
Рис.15. Схемы реакций анаболизма (синтеза сложных молекул из более
простых): а - реакция без участия фермента; б - реакция с участием фермента С
- энергия; А···В - промежуточный комплекс; F···А···В - активированный фермет-субстратный комплекс; ΔН - тепловой эффект реакции, не зависит от участия катализатора
Как видно из представленных схем, введение в химическую систему
фермента способствует значительному понижению энергии активации реакции
и тем самым обусловливает возрастание скорости реакции.
Для реакции катаболизма (расщепление сложных молекул на простые
компоненты): АВ → А + В можно составить следующие схемы:
98
a)AB + F → ABF;
б) ABF→ А + BF;
(а+б+в): АВ + F → ABF → А + В + F.
в) BF → В + F;
6.5. Свойства ферментов
Ферменты, как и неферментные катализаторы, характеризуются следующими сходными свойствами:
1. Они остаются неизменными после реакции и могут вновь реагировать с
новыми молекулами субстрата (хотя активность их может измениться под влиянием условий среды) до тех пор, пока по каким-либо причинам не разрушатся.
2. Они оказывают свое действие в ничтожно малых концентрациях.
3. Они лишь повышают скорость реакции и не оказывают влияния на величину константы равновесия.
4. Они катализируют только энергетически возможные реакции.
Однако ферменты, являясь белками, имеют следующий ряд свойств, отличающийся от свойств небиологических катализаторов.
1. Ферменты "работают" в очень мягких условиях (низкая температура –
температура тела, нормальное давление, близкое к нейтральному значению рН).
Будучи белками, они очень чувствительны к сдвигам рН и к изменениям температуры, т.е. термолабильны.
2. Скорость ферментного катализа гораздо выше, чем небиологического,
т.е. ферменты сильнее снижают энергию активации реакции, чем другие катализаторы, Так, например, гидролиз белка до аминокислот под действием неорганических катализаторов (кислот или щелочей) осуществляется при температуре 100° С и выше за несколько десятков часов. Этот же процесс при каталитическом участии ферментов (например, пепсина или трипсина) требует всего
десятков минут и идет при температуре 30-40 °С. Другой пример: в организме
человека ежесуточно распадается около 0,5 кг глюкозы до СО2 и Н2О; в отсутствии биокатализаторов для этого потребовалось бы примерно 10000 лет. Благодаря каталитическому действию ферментов, в живой природе с большей ско99
ростью происходят реакции, выполнение которых в лабораторных условиях
остается пока еще невозможным.
3. Ферменты обладают высокой специфичностью, что позволяет ферментам направлять обмен веществ в определенное русло.
4. В отличие от небиологических катализаторов активность ферментов
можно регулировать. Это уникальное свойство ферментов позволяет изменять
скорость превращения веществ в организме в зависимости от условий среды,
т.е. приспосабливаться к действию различных факторов.
5. Скорость ферментативной реакции в отличие от небиологического катализа прямо пропорциональна концентрации катализатора-фермента.
Остановимся на некоторых свойствах ферментов более подробно.
6.6. Специфичность действия ферментов
Специфичность – главное и особое качество ферментов, отличающее их
от других катализаторов. Сущность этого свойства заключается в том, что каждый фермент катализирует химическое превращение определенных веществ.
Структура активного центра фермента комплементарна структуре его
субстрата, вследствие чего данный фермент из множества веществ, имеющихся
в живой клетке, присоединяет только свой субстрат.
Это свойство называется субстратной специфичностью фермента. Например, структура активного центра фермента гистидазы комплементарна структуре аминокислоты гистидина, поэтому возможно образование ферментсубстратного комплекса гистидаза-гистидин; другие вещества, в том числе
аминокислоты, не связываются гистидазой. Каждый фермент катализирует
лишь одно из возможных химических превращений субстрата. Это свойство
называется специфичностью пути превращения. Например, гистидаза и гистидиндекарбоксилаза, обладая одинаковой субстратной специфичностью, катализируют разные превращения гистидина.
Субстратная специфичность бывает абсолютной и групповой. Абсолютная специфичность означает, что фермент катализирует превращение только
100
одного субстрата. Например, фумараза катализирует только реакцию фумаровой кислоты с водой:
Фумаровая кислота
Яблочная кислота
Ферменты с групповой специфичностью катализируют однотипные превращения сходных по строению веществ. Например, липаза ускоряет гидролиз
различных жиров на глицерин и жирные кислоты:
Жир
глицерин
жирные кислоты
Кроме того, некоторые ферменты являются стереоспецифичными, то есть
катализируют превращение только одного из стереоизомеров.
Например, малеиновая кислота - цис-изомер фумаровой кислоты, не может быть субстратом фумаразы:
Фумаровая кислота
Малеиновая кислота
6.7. Факторы, влияющие на скорость ферментативного катализа
Скорость ферментативной реакции определяется количеством вещества,
превращающимся в единицу времени, и зависит от температуры, рН среды,
концентрации субстрата и фермента.
101
Скорость ферментативной реакции является мерой активности фермента.
Активность фермента можно измерить только косвенно: по количеству превращаемого субстрата или получаемого продукта реакции в единицу времени.
Влияние температуры на активность ферментов
Зависимость каталитической активности от температуры (термолабильность) для большинства ферментов выражается типичной кривой, представленной на рис.16.
Рис. 16. Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры
Скорость ферментативных реакций, как и любых других, при повышении
температуры на каждые 10 °С увеличивается примерно в 2-4 раза (правило
Вант-Гоффа), но это правило справедливо лишь в области температур до 5060°С. При температуре выше 50°С начинается денатурация фермента, что означает уменьшение его количества и соответственно снижается скорость реакции.
При температурах 80-100°С почти все ферменты утрачивают свою активность
(исключение составляет только один фермент мышечной ткани - миокиназа,
который выдерживает нагревание до 100°С). Оптимальной для действия ферментов животного происхождения является температура 40-50°С, а для растительного - 50-60°С. Однако есть ферменты с более высокими оптимальными
температурами, например, у папаина (фермента растительного происхождения,
ускоряющего гидролиз белка) он равен 80°С. В то же время у каталазы (фермента, ускоряющего распад перекиси водорода до воды и О2 ) оптимальная
температура действия находится между 0 и 10°С, а при более высоких температурах происходит инактивация ферментов. При температурах 0°С и ниже
большинство ферментов не разрушается, но их активность стремится к нулю.
102
Свойство термолабильности ферментов имеет важное значение для понимания процессов жизнедеятельности. При снижении температуры некоторые
животные впадают в состояние спячки или анабиоза. При этом скорость ферментативных процессов уменьшается, что снижает расход накопленных организмом питательных веществ и замедляет обмен веществ. Искусственное охлаждение организма (гибернация) используется в клинике для проведения хирургических операций.
Влияние рН на активность ферментов
Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации водородных ионов носит колоколообразный характер (рис. 17). Каждый фермент
имеет свой оптимум рН среды, при которой он максимально активен. Большинство ферментов имеет максимальную активность при физиологическом значении рН среды 6,0-8,0, однако некоторые ферменты хорошо работают или в кислой (пепсин), или в щелочной (аргиназа) среде. В табл. 8 приведены оптимумы
рН ряда ферментов.
Влияние изменения рН среды на молекулу фермента состоит в изменении
степени ионизации кислотных и основных групп активного центра фермента,
что сказывается на третичной структуре белка и соответственно на формировании активированного фермент-субстратного комплекса. Кроме того, имеет значение состояние ионизации субстрата и кофермента.
Таблица 8
Оптимальное значение рН для некоторых ферментов
Название фермента
Катализируемая реакция
Пепсин
Гидролиз белка
Липаза (из семян клещевины)
Гидролиз жиров
Каталаза
Разложение перекиси
Уреаза
Гидролиз мочевины
Трипсин
Гидролиз белка
Аргиназа
Гидролиз аргенина
103
рН
1,5-2,5
4,7-5,0
6,8-7,0
7,0-7,2
7,5-8,5
9,5-10,0
Рис. 17. Зависимость скорости ферментативной реакции от рН среды
Значение оптимумов рН для разных ферментов важно для практической
медицины. Например, пепсин, гидролизующий белки в желудке, активно работает только в сильнокислой среде (см. табл.8). Поэтому для восстановления
нарушенной активности эндогенного пепсина необходимы вещества, повышающие кислотность. Так, препарат пепсина принимают с соляной кислотой, создающей нужный рН.
Влияние концентраций субстрата и фермента на скорость ферментативной реакции
Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата носит гиперболический характер (рис. 18). При постоянной концентрации фермента скорость реакции постепенно увеличивается достигая максимума; когда дальнейшее увеличение концентрации субстрата уже не влияет на
скорость реакции, в этом случае говорят, что фермент насыщен, а субстрат в
избытке.
Зависимость скорости реакции от концентрации фермента (рис.18) является прямо пропорциональной; чем больше концентрация фермента, тем выше
скорость реакции.
а)
б)
Рис. 18. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации:
а - субстрата; б - фермента
104
Зависимость скорости реакции от времени
Как известно, скорость любой химической реакции (активности фермента) уменьшается со временем (рис.19). Уменьшение скорости ферментативной
реакции во времени может быть связано с рядом причин:
- уменьшение концентрации субстрата;
- увеличение скорости обратной реакции;
- ингибирование фермента продуктом реакции;
-денатурация фермента.
Рис.19. Зависимость скорости ферментативной реакции от времени ([Р] и
[S] - концентрации продукта и субстрата)
6.8. Регуляция активности ферментов
Регуляция активности ферментов может осуществляться путем взаимодействия с ними различных эндогенных биоактивных соединений или чужеродных веществ (например, лекарств и ядов).
Под действием одних регуляторов (активаторов) ферментативная реакция
может ускоряться, под действием других (ингибиторов) - замедляться.
Активация ферментов
В большинстве случаев активирующее действие на фермент оказывают
вещества, влияющие на активный центр фермента. К таковым относятся кофакторы ферментов и субстраты. Таким образом, кофакторы являются не только
обязательными структурными компонентами ферментов-протеидов, но и их активаторами. Кроме ионов металлов и коферментов активирующее влияние могут оказывать предшественники и активные аналоги коферментов, субстрат в
известных пределах концентрации, некоторые органические и неорганические
105
анионы. Так соляная кислота (анион СI¯ ) активирует действие пепсина, желчные кислоты - действие панкреатической липазы.
Ингибирование ферментов
Ингибиторы - вещества, тормозящие действие ферментов. Различают обратимое и необратимое ингибирование (инактивация). Примерами необратимого ингибирования является действие солей тяжелых металлов, йодацетата, синильной кислоты и др.
В случае необратимого ингибирования молекула ингибитора вызывает
стойкие, необратимые изменения или модификацию активного центра фермента. Чаще имеет место обратимое ингибирование, которое, в свою очередь, делят
на конкурентное и неконкурентное.
При конкурентном ингибировании ингибитор, обладая структурным
сходством с субстратом, соединяется с ферментом, подменяя собой субстрат,
конкурируя с ним. Так как часть фермента расходуется на образование комплекса фермент-ингибитор, то количество фермент-субстратного комплекса
снижается, и падает скорость ферментативной реакции. Конкурентные ингибиторы, таким образом, подавляют активность только одного фермента или группы ферментов со сходным активным центром. Механизм конкурентного ингибирования можно выразить следующей схемой:
F + S = FS = F + P;
F + I = FI,
где F - фермент; S - субстрат; I - ингибитор, Р - продукт.
Если повышать концентрацию субстрата, то доля комплекса FS увеличивается, а комплекса FI уменьшается. При достаточно высокой концентрации
субстрата весь фермент будет в форме комплекса FS, и скорость реакции будет
максимальной, несмотря на присутствие ингибитора.
В качестве примера конкурентного ингибирования рассмотрим торможение действия фермента холинэстеразы при помощи диизопропилфторфосфата,
который является ингибитором также и других эстераз и пептидгидролаз, имеющих серии в активном центре.
106
Холинэстераза - фермент, каталитически ускоряющий гидролиз ацетилхолина на холин и уксусную кислоту:
Ацетилхолин
Уксусная
кислота
Холин
Реакция идет с большой скоростью: одна молекула холинэстеразы разлагает за одну минуту несколько миллионов молекул ацетилхолина. Этот процесс
имеет огромное значение для нервной системы, так как ацетилхолин является
промежуточным соединением в передаче нервного импульса. Действие холинэстеразы угнетается сильнейшим нервным ядом - диизопропилфторфосфатом, структура которого в некоторой части молекулы подобна структуре ацетилхолина:
Ацетилхолин
диизопропилфторфосфат
К активному центру холинэстеразы вместо группировки
- ацетилхолина легко присоединяется группировка
диизопропилфтор-
фосфата: наступает торможение работы фермента со всеми вытекающими отсюда для организма последствиями.
Примером конкурентного ингибирования служит также торможение сукцинатдегидрогеназы (СДГ) малоновой кислотой. Этот фермент катализирует
окисление путем дегидрирования янтарной кислоты (сукцината) в фумаровую:
107
Малонат в результате структурного сходства с субстратом (сукцинат) реагирует с активным центром СДГ с образованием фермент–ингибитор комплекса, однако при этом перенос водорода от малоната не происходит.
Метод конкурентного торможения нашел широкое применение в медицинской практике. Например, для лечения некоторых инфекционных заболеваний, вызываемых бактериями, применяют сульфаниламидные препараты. Эти
препараты имеют сходство с парааминобензойной кислотой, которую бактериальная клетка использует для синтеза фолиевой кислоты, являющейся составной частью ферментов бактерий. Благодаря этому структурному сходству,
сульфаниламид блокирует действие фермента путем вытеснения параминобензойной кислоты из комплекса с ферментом, синтезирующим фолиевую кислоту, что ведет к торможению роста бактерий:
n-аминобензойная кислота
сульфаниламид
Некоторые аналоги витамина В6 и фолиевой кислоты, например, дезоксипиридоксин и аминоптерин, действуют как конкурентные коферментные ингибиторы (или антивитамины), тормозящие многие биохимические процессы в
организме.
Неконкурентное ингибирование вызывается веществами, не имеющими
структурного сходства с субстратами. При этом ингибитор влияет на каталити108
ческое превращение, но не на связывание субстрата с ферментом. Неконкурентный ингибитор или связывается непосредственно с каталитическим участком активного центра, или, связываясь с ферментом в одном из аллостерических центров, изменяет конформацию активного центра таким образом, что затрагивает структуру каталитического участка. Так как неконкурентный ингибитор не влияет на связывание субстрата, то в отличие от конкурентного ингибирования наблюдается образование тройного комплекса по уравнению
F + S +I→ FSI.
Однако превращения этого комплекса в продукты реакции не происходит.
Примером неконкурентного ингибирования может служить блокирование
ферментов ионами тяжелых металлов (Hg , As , Pb, Cd ), которые присоединяются к сульфогидрильным (-SH) группам полипептидной цепи каталитического
участка. Торможение солями синильной кислоты, угарным газом основано на
том, что анионы СN¯ или молекулы СО прочно соединяются с трехвалентным
железом, входящим в каталитический участок геминового фермента - цитохромоксидазы. Блокада этого фермента выключает дыхательную цепь, и клетка погибает.
Снять действие неконкурентного ингибитора избытком субстрата (как
действие конкурентного) нельзя, а можно лишь веществами, связывающими
ингибитор. Эти вещества называют реактиваторами.
Ионы тяжелых металлов лишь в небольших концентрациях являются неконкурентными ингибиторами. В больших концентрациях они выступают как
инактиваторы (оказывают денатурирующее действие).
Неконкурентные ингибиторы применяются как фармакологические средства, отравляющие вещества для борьбы с вредителями сельского хозяйства и в
военных целях.
Аллостерическая регуляций действия ферментов
Многие ферменты с четвертичной структурой могут обратимо связывать
по месту аллостерического (регуляторного) центра некоторые вещества, акти109
вирующие или ингибирующие фермент. Эти вещества называют аллостерическими эффекторами, в качестве которых могут выступать различные метаболиты, гормоны, ионы металлов, коферменты и очень редко - молекулы субстрата.
Аллостерический ингибитор, комплементарно соединяясь с регуляторным центром, меняет его конформацию, что влечет за собой изменение конформации и
каталитического участка (активного центра). Аллостерический активатор,
напротив, облегчает превращение субстрата в активном центре фермента.
В качестве примера аллостерической регуляции рассмотрим обратимое
инактивирование фермента аденилатциклазы, катализирующей реакцию синтеза циклоаденозинмонофосфата (цАМФ) из АТФ по схеме:
АТФ → цАМФ + Н4Р2О7
Эта реакция играет важную роль в системе регуляции передачи физиологического сигнала из внеклеточной среды внутрь клетки. Аллостерическими
эффекторами аденилатциклазы являются некоторые гормоны (адреналин, глюкагон и др.). Аденилатциклаза локализуется в плазматической мембране и состоит из трех субъединиц: рецептора гормона, ГТФ-связывающего белка и каталитической субъединицы. Рецептор, гормона ориентирован центром связывания на наружную поверхность мембраны, а каталитическая субъединица своим
активным центром выходит на внутреннюю сторону мембраны (рис.20).
Рис. 20. Регуляция действия аденилатциклазы: Р - рецептор гормона;
Г- ГТФ-связывающий белок; А- каталитическая субъединица аденилатциклазы
110
Когда рецептор гормона свободен, ГТФ-связывающий белок, соединен с
ГДФ, и в этом состоянии системы аденилатциклаза неактивна. Когда к рецептору присоединяется гормон ГДФ в белке заменяется на ГТФ, и этот новый
комплекс «ГТФ-белок» активирует аденилатциклазу - начинается синтез
цАМФ, активирующего другие ферменты внутри клетки. Таким образом, гормон - первый и внешний, а цАМФ - второй и внутриклеточный вестник сигнала. Активная аденилатциклаза усиливает, например, распад гликогена (см. главу 10) и подавляет его синтез, вызывает расслабление гладких мышц кровеносных сосудов и т.д.
6.9. Определение активности ферментов
В основе всех методов определения активности ферментов лежит положение, согласно которому активность ферментов определяется количеством
превращенного субстрата при определенных стандартных условиях: концентрации субстрата, температуре и рН среды. При определении активности фермента следует не забывать о том, что она резко меняется при различных условиях реакции. Различные методы количественного определения активности
ферментов основаны на следующих принципах:
1) определяется наименьшее количество ферментного препарата, способного за определенный промежуток времени и при определенных условиях расщепить требуемое количество субстрата;
2) определяется остаток субстрата после воздействия фермента и затем
рассчитывается количество субстрата, расщепившегося под действием определенного количества фермента;
3) активность фермента обозначают по времени, в течение которого
определенная навеска фермента катализирует превращение определенной доли
субстрата в стандартных условиях (начальная концентрация субстрата, температура, рН среды).
Согласно правилам, рекомендованным в 1961 году Комиссией по ферментам Международного биохимического союза, за единицу фермента (Е) при111
нимают такое его количество, которое катализирует превращение 1 мкмоль вещества (субстрата) за 1 минуту. Число единиц фермента в тканях определяют
по формуле:
Часто находят удельную активность фермента: она равна числу единиц
фермента в образце, деленному на массу белка (в мг) в этом образце. Например,
если в 1 грамме ткани печени содержится 140 единиц лактатдегидрогеназы и
200 мг белка, то удельная активность лактатдегидрогеназы в печени равна
140/200=0,7
(мкмоль/мин)/мг.
Если имеется очищенный индивидуальный
фермент, то можно измерить его молярную активность: она равна числу единиц
фермента в образце, деленному на количество фермента в микромолях. Молярная активность указывает, сколько молекул субстрата превращается одной молекулой фермента за 1 минуту.
Для правильного определения активности фермента необходимо проводить его в стандартных условиях, которые устанавливаются для каждого фермента из предварительных кинетических исследований, и точно измерять изменение содержания субстрата или продукта реакции за определенный, отрезок
времени.
Рекомендуется проводить определение активности фермента при температуре 25°С, оптимуме рН и концентрации субстрата, превышающей концентрацию насыщения.
6.10. Номенклатура и классификация ферментов
До 1961 года не существовало единого подхода к образованию названий
ферментов. Исторически возникшие (тривиальные) названия ферментов строились либо по названию субстрата с изменением суффикса на -аза (например,
уреаза, гистидаза, аргиназа), либо по характеру действия, например, пепсин (от
греческого «легкие» - пищеварение) или трипсин (от греческого «трипсис» разжижаю) и так далее. В 1961 году на V Международном биохимическом кон112
грессе в Москве были разработаны и утверждены правила рациональной номенклатуры ферментов.
Согласно этим правилам название фермента составляют из химического
названия субстрата и названия той реакции, которая осуществляется ферментом. Если данная реакция сопровождается переносом группы атомов от одного
партнера (субстрата) к другому (акцептору), то в название фермента включают
еще и химическое наименование акцептора. Например, пиридоксальфермент,
катализирующий
оксоглутаровой
реакцию
кислотой,
переаминирования
должен
называться
между
L-аланином
L-аланин:
и
2-
оксоглутарат-
аминотрансфераза:
L-аланин
(субстрат, донор)
2-оксоглутаровая
кислота
(акцептор)
Пировиноградная
кислота
Глутаминовая
кислота
Названия ферментов по рациональной номенклатуре являются точными и
содержательными, но очень длинными. Поэтому наряду с рациональными
названиями до сих пор используются тривиальные названия ферментов.
Классификация ферментов основана на типе катализируемой ферментом
реакции. Все ферменты делятся на шесть главных классов, каждый из которых
имеет строго определенный номер. Классы разделены на подклассы и далее на
подподклассы.
Название класса указывает тип химической реакции, катализируемой
ферментом. Подкласс уточняет действие фермента, указывая в общих чертах на
природу химической группы субстрата, атакуемой ферментом. Подподкласс
ещё более конкретизирует действие фермента, уточняя природу атакуемой связи субстрата или природу акцептора.
113
1. Оксидоредуктазы - ферменты, катализирующие окислительновосстановительные реакции. Среди оксидоредуктаз различаются дегидрогеназы, катализирующие перенос водорода (протонов и электронов), и оксидазы,
катализирующие окисление субстрата кислородом. К этому же классу относятся гемсодержащие ферменты каталаза и пероксидаза. Оксидоредуктазы очень
распространенный класс, насчитывающий около 480 ферментов. Большую роль
они играют в энергетических процессах. Название ферментов этого класса составляют по схеме: «донор: акцептор – оксидоредуктаза».
2.
Трансферазы
-
ферменты,
катализирующие
реакции
меж-
молекулярного переноса различных атомов, групп атомов от одного субстрата
(донора) к другому (акцептору). Сюда относятся аминотрансферазы, ацилтрансферазы, метилтрансферазы, фосфотрансферазы и другие. Трансферазы примерно столь же обширный класс, как и оксидоредуктазы. Они участвуют в
реакциях взаимопревращения различных веществ, синтезе мономеров, обезвреживании природных и чужеродных соединений. Названия ферментов этого
класса строят следующим образом: "донор: транспортируемая группа - трансферазы''.
3.
Гидролазы
-
катализируют
реакции
расщепления
внутримо-
лекулярных связей с присоединением воды по месту расщепления:
А—В + Н-ОН →А—ОН + Н—В.
К гидролазам относятся эстеразы - катализирующие реакции гидролиза и
синтеза сложноэфирных связей (липаза, холинэстераза); пептидазы, или пептидгидролазы (пепсин, трипсин, карбоксипептидаза), расщепляющие пептидные связи; гликозидазы, гидролизующие гликозидные связи, и так далее. Класс
гидролаз насчитывает около 460 ферментов.
Гидролазами являются пищеварительные ферменты, ферменты лизосом и
других органоидов клетки, где они способствуют распаду биополимеров на мономеры. Тривиальное название этих ферментов образуется добавлением к
названию субстрата окончания - аза. Систематическое название получают по
схеме: "субстрат - гидролаза".
114
4. Лиазы - катализируют разрыв связей С-О, С-С, C-N и обратимые реакции отщепления различных групп от субстратов негидролитическим путем, в
результате чего происходит образование двойной связи или присоединяются
группы по месту двойной связи. Примеры лиаз - декарбоксилазы (отщепляют
СООН - группу от карбоновых кислот); альдолазы (расщепляют связь С-С с образованием альдегида); гидратазы (присоединяют воду по двойной связи); дегидратазы (отщепляют молекулу воды с образованием двойной связи); амидинлиазы (отщепляют аминогруппу) и другие.
Лиазы - менее распространенная группа ферментов (около 230), участвующие в реакциях синтеза и распада промежуточных продуктов обмена. Систематическое название составляется по схеме: "субстрат-лиаза". В тривиальных
названиях указываются особенности участвующих в реакции групп атомов карбоксилаза (присоединение карбоксильной группы), дегидратаза (отщепление молекулы воды).
5. Изомеразы - катализируют различные реакции изомеризации, которые
можно разделить на две группы. Первая - реакции внутримолекулярного переноса групп; вторая - внутримолекулярные окислительно-восстановительные реакции. Первый тип реакций катализируют изомеразы, которые называют мутазами и которые являются внутримолекулярными трансферазами. Сюда относят
внутримолекулярные трансферазы, переносящие ацильные, фосфорильные и
другие
группы.
Например,
фосфоглицеромутаза
превращает
3-
фосфоглицериновую кислоту в 2-фосфоглицериновую кислоту:
К первому типу относят также рацемазы и эпимеразы, действующие на
амино- и оксикислоты; таутомеразы.
Второй тип реакции изомеризации катализируют внутримолекулярный
перенос кислорода или водорода, обеспечивающие взаимопревращение альдоз
115
и кетоз. Например, триозофосфатизомераза катализирует взаимопревращение
диоксиацетонфосфата и глицеральдегидфосфата.
Изомеразы - небольшая группа ферментов (чуть более 80), играющая
важную роль в восстановлении биологической активности молекул. Название
этих ферментов складывается в зависимости от типа реакции по схеме: "субстрат - изомераза".
6. Лигазы (синтетазы) - катализируют синтез органических веществ из
двух исходных молекул с участием какого-либо нуклеозид-трифосфата, при
распаде которого освобождается необходимая для синтеза энергия. Ферментов
этого класса насчитывается около 80. Систематическое название лигаз образуется по схеме: «Х:У-лигаза», где X и Y -исходные вещества. Например, Lглутамат: аммиак - лигаза (или тривиальное название глутаминсинтетаза).
6.11. Локализация ферментов в организме и клетке
Большинство ферментов обнаруживается во всех клетках организмов. В
плазме крови также содержатся ферменты, но их концентрация значительно
ниже; чем в клетках. Ряд ферментов, необходимых для жизнеобеспечения и деления самих клеток, содержится в клетках всех органов и тканей. Но наряду с
такого рода ферментами в клетках различных органов и тканей встречаются
специфические ферменты. Например, уроканиназа содержится только в печени,
гистидаза - в печени и коже, креатинфосфокиназа - в мышечных клетках, ферменты, синтезирующие стероидные гормоны, вырабатываются только клетками
коры надпочечников и так далее.
Клетка имеет сложное строение (рис. 21), в клетке любого органа и ткани
можно обнаружить клеточную или плазматическую мембрану, ядро, митохондрии, лизосомы, рибосомы, систему канальцев и пузырьков - эндоплазматический ретикулум, пластинчатый комплекс, различные вакуоли, внутриклеточные
116
включения и другие. Главную по массе недифференцированную часть цитоплазмы клетки составляет гиалоплазма, или цитозоль.
Рис. ЭУКАРИОТИЧЕСКИЕ КЛЕТКИ
а. Растительные 10-100 мкМ; б. Животные 5-30 мкМ
Внутри клетки, ферменты содержатся как в растворимой части цитоплазмы, так и в субклеточных структурах. Принадлежность различных ферментных
систем определенным участкам клетки называется компартментализацией.
117
Установлено, что в ядре локализованы РНК - полимеразы, катализирующие образование мРНК; ферменты, участвующие в репликации ДНК, и некоторые другие.
В митохондриях находятся ферменты цепи биологического окисления
(тканевого дыхания) и окислительного фосфорилирования; ферменты пируватдегидрогеназного комплекса, цикла трикарбоновых кислот и другие.
В лизосомах в основном содержатся гидролазы, оптимально действующие при рН =5.
В рибосомах обнаружены ферменты белкового синтеза, здесь происходит
транслирование мРНК и связывание аминокислот в полипептидныё цепи с образованием молекул белка.
В эндоплазматической сети локализованы ферменты синтеза лилидов и
ферменты реакций гидроксилирования.
Плазматическая мембрана содержит АТФ-азу, транспортирующую ионы
Na+ и К+, аденилатциклазу и другие.
В цитозоле локализованы ферменты гликолиза, пентозофосфатного цикла, синтеза жирных кислот и мононуклеотидов, активирования аминокислот,
ферменты глюконеогенеза.
6.12. Применение ферментов
Ферменты находят все более широкое применение в различных отраслях
промышленности (хлебопечение, виноделие, сыроварение, пивоварение, кожевенное и меховое производство, кулинария и так далее).
В настоящее время развивается новая отрасль - промышленная энзимология, которая использует выделенные из биологических объектов ферменты для
получения продуктов питания из целлюлозы, нефти; синтеза ряда аминокислот,
лекарственных препаратов; для создания промышленных штаммов микроорганизмов - источников витаминов и незаменимых аминокислот и так далее.
Отдельной отраслью промышленной энзимологии является медицинская
энзимология, которая развивается по трем главным направлениям.
118
Первое - энзимопатология - исследует ферментативную активность в
норме и при патологии. Многие наследственные болезни, как оказалось, являются следствием дефекта какого-либо фермента.
Второе направление - энзимодиагностика. Ферменты используют в качестве избирательных реагентов для определения содержания химических веществ в крови, желудочном соке, моче и других физиологических жидкостях.
Кроме того, выявляют и определяют количественное содержание самих ферментов прежде всего в сыворотке крови при патологии. Полученные данные
используют для диагностики болезней и для контроля эффективности лечения.
Установлено, например, что при диабете, злокачественном поражении поджелудочной железы, болезнях печени резко увеличивается уровень липазы, амилазы, трипсина, химотрипсина. При инфаркте миокарда - повышается уровень
аминотрансфераз, креатинкиназы и лактатдегидрогеназы и так далее. Изменение содержания ферментов в клетках и за их пределами вследствие болезни называется энзимопатиями, которые бывают наследственные и приобретенные.
Третье направление - энзимотерапия - использование ферментов в качестве лекарств. Например, при желудочных заболеваниях, сопровождающихся
снижением содержания пепсина в желудочном соке, для улучшения пищеварения применяют пепсин и его производные. Нуклеазы используют при лечении
некоторых вирусных заболеваний. Протеолитические ферменты используют
очень часто для лечения тромбозов. Аспарагиназу применяют для лечения некоторых форм лейкозов. Она разрушает аспарагин, необходимый для роста
лейкозных клеток и содержащийся в плазме крови; в результате лейкозные
клетки погибают.
Таким образом, очевидно, что развитие медицинской этимологии имеет
огромнейшее значение для предупреждения, выявления и лечения различных
заболеваний.
119
Глава 7. ВИТАМИНЫ
7.1.Понятие о витаминах
Живая клетка не может существовать без витаминов и гормонов. Эти вещества необходимы организмам в очень малых количествах. Например, 25летнему мужчине необходимо в сутки 70г белков, но только 0,0016 г витамина
B1. Но насколько мало содержание ферментов, витаминов и гормонов в клетках, настолько велико их физиологическое значение в процессе обмена веществ.
Еще в прошлом веке было обнаружено, что для предупреждения и излечения ряда заболеваний (например, цинги; "бери-бери") необходимы какие-то
определенные питательные вещества в микродозах.
Эти вещества в 1912г. были названы польским ученым К. Функом "витаминами", что в переводе с латинского языка означает "амин жизни". Данное
название связано с тем, что первое вещество данного класса соединений, выделенное в кристаллическом состоянии, было амином.
В настоящее время установлено, что витамины - это низкомолекулярные
органические вещества, обладающие разнообразным строением и физикохимическими свойствами, то есть это могут быть и амины, и кислоты, и альдозы, и кетозы, и кетокислоты и т.д. Но, тем не менее, термин "витамины" сохранился и используется в литературе как единственный для такого рода веществ.
Витамины - необходимые для нормальной жизнедеятельности соединения, синтез которых у организмов данного вида отсутствует или ограничен.
Существует условное деление витаминных веществ на собственно витамины и витаминоподобные соединения. Последние похожи по биологическим
свойствам на витамины, но требуются обычно в больших количествах. Следует
отметить, что не для любого организма одно и то же соединение служит витамином. Например, аскорбиновая кислота является для человека и морской
свинки витамином, поскольку не синтезируется у них, а для крыс, кроликов,
собак она не является витамином, так как она синтезируется у них в тканях. Источником витаминов у человека служат пища и кишечные бактерии. Последние
120
сами синтезируют некоторые витамины и являются важным источником их в
организме.
Витамины, наряду с белками, жирами, углеводами, минеральными веществами, являются важнейшим пищевым фактором, но в отличие от других пищевых факторов они:
I) не включаются в структуру тканей;
2) не используются организмами в качестве источника энергии;
3) являются незаменимым пищевым фактором.
Каким же образом витамины обеспечивают нормальное протекание процессов обмена веществ и ускоряют их регуляцию? Дело в том, что многие витамины являются кофакторами ферментов и тем самым регулируют обмен веществ через ферменты, проявляя, по существу, каталитическую функцию (см.
главу 6).
В зависимости от содержания витаминов в организме, различают три состояния организма:
1. Авитаминозы - состояния, связанные с полным отсутствием в пище
или с полным нарушением усвоения какого-либо витамина. Эти состояния проявляются очень характерно, клинически, и при отсутствии лечения приводят к
летальному исходу.
2. Гиповитамииозы - состояния, при которых снижено поступление в
организм или усвоение им каких-либо витаминов. Отсутствие лечения приводит к авитаминозам и всем дальнейшим последствиям. Различают экзогенные и
эндогенные причины гиповитаминозов у человека и у животных.
К экзогенным причинам относят недостаточное поступление витаминов с
пищей, например, в конце зимы и в весенний период, что вызывает легкие формы гиповитаминозов, которые устраняются употреблением поливитаминных
препаратов или продуктов, богатых витаминами, например, проросших зерен
пшеницы, ржи, кукурузы (так при проращивании пшеничного зерна содержание в нем витаминов С и В6 возрастает в 5 раз, витамина В1 - в 1.5 раз; фолиевой
121
кислоты в 4 раза; витамина В2 - в 13.5 раз, а также увеличивается концентрация
природных антибиотиков, антиоксидантов и стимуляторов роста).
К эндогенным причинам гиповитаминозов относятся следующие:
- повышенная потребность в витаминах вследствие умственного и физического перенапряжения или некоторых физиологических и патологических состояний (беременность, тиреотоксикоз и другие);
- усиленный распад витаминов в кишечнике вследствие усиления развития микрофлоры;
- болезни печени, поджелудочной железы, приводящие к нарушению
усвоения витаминов;
-
лечение
инфекционных
заболеваний
антибиотиками,
сульфа-
ниламидами и другими лекарствами, угнетающими микрофлору кишечника,
приводящее к нарушению усвоения витаминов, синтеза некоторых из них.
Гиповитаминозы, вызванные эндогенными причинами, более серьезны и
требуют особого внимания в плане назначения лечения. Наряду с лечением основного заболевания, являющегося причиной гиповитаминоза, назначают и соответствующие витамины, но, как правило, в виде инъекций, то есть минуя кишечный тракт.
3. Гипервитаминозы - состояния, связанные с избыточным потреблением витаминов. Гипервитаминозы встречаются гораздо реже, чем гиповитаминозы. Более других токсичны витамины А, Д, К. Состояние гипервитаминоза носит характер неспецифического отравления и бывает связано с чрезмерным
употреблением синтетических витаминов или продуктов, богатых этими витаминами. Общие симптомы гипервитаминозов: потеря аппетита, расстройство
моторной функции желудочно-кишечного тракта, сильные головные боли, повышенная возбудимость нервной системы, выпадение волос, шелушение кожи
и другие. Гипервитаминоз может закончиться смертельным исходом.
122
7.2. Классификация витаминов
Витамины делят по растворимости на две группы: жирорастворимые и
водорастворимые витамины. Первые по строению близки к углеводородам и не
содержат полярных групп. Вторые - содержат полярные группы, например, NH2, -СООН, -ОН, -SH и другие. Кроме того, иногда витамины классифицируют по физиологическому действию на организм.
Ниже дана классификация по растворимости и в скобках - по физиологической роли витаминов:
витамины жирорастворимые:
А (антиксерофтальмический ); ретинол;
Д (антирахитический); кальциферолы;
Е (антистерильный, витамин размножения); токоферолы;
К (антигеморрагический); нафтохиноны;
витамины водорастворимые
B1 (антиневритный); тиамин;
В2 (витамин роста); рибофлавин;
В3 (антидерматитный); пантотеновая кислота;
В5 (РР) (антипеллагрический); ниацин; никотинамид;
В6 (антидерматитный); пиридоксин;
В9 (Вс) (антианемический); фолиевая кислота;
B12 (антианемический); кобаламин;
С (антискорбутный); аскорбиновая кислота;
Н (антисеборрейный); биотин;
Р (капилляроукрепляющий); рутин.
Витаминоподобные вещества также делят на жирорастворимые и водорастворимые. К первым относят витамин F (комплекс ненасыщенных жирных
кислот) и убихинон. Ко вторым относятся холин, липоевая кислота, инозит,
оротовая кислота, пангамовая кислота (В15), парааминобензойная кислота, Sметилметионин (витамин U).
123
Иногда витамины классифицируют по лечебно-профилактическому эффекту, выделяя отдельные группы витаминов, имеющих сходное физиологическое действие (табл.9).
Таблица 9. Групповая характеристика некоторых витаминов
Группы витаминов
Краткая клинико-физиологическая
характеристика
1. Повышающие общую реакцию организма
2.
Антигеморрагические (предотвращающие кровотечения и
кровоизлияния)
3. Антианемические
Регулируют функциональное состояние центральной нервной системы,
обмен веществ и трофику тканей
Обеспечивают нормальную проницаемость и устойчивость кровеносных
сосудов, повышают свертываемость
крови
Нормализуют и стимулируют кровотворение
4. Антиинфекционные Повышают устойчивость организма к
инфекции: стимулируют выработку
антител, усиливают защитные свойства эпителия
5. Регулирующие зре- Усиливают остроту зрения, расширяние
ют поле цветного зрения
Названия
основных
витаминов
В1,В2,
РР(В5), А,С
С,Р,К
В12,ВС,С
С,А
А,В2,С
7.3. Жирорастворимые витамины
Витамин А (ретинол)
Химическая природа. Известны три витамина группы А: А1 (ретинол); А2;
неовитамин А (цис-форма витамина А1). С химической точки зрения ретинол
представляет собой циклический непредельный одноатомный спирт, состоящий
из шестичленного кольца (β-ионона), двух остатков изопрена и первичной
спиртовой группы:
Витамин А2, найденный у пресноводных рыб, имеет дополнительную
двойную связь в β-иононовом кольце.
124
Все три витаминаа группы А - кристаллические вещества лимонножелтого цвета, хорошо растворимы в жирах и жирорастворителях: бензоле,
хлороформе, эфире, ацетоне и т.д. В организме ретинол (витамин А - спирт)
превращается в ретиналь (витамин А - альдегид ) и ретиноевую кислоту (витамин А - кислота).
Известны три провитамина А - α -, β -, γ - каротины, отличающиеся по
химическому строению и биологической активности. Наиболее активен β - каротин, который в слизистой кишечника подвергается окислению по центральной двойной связи с участием фермента каротиндиоксигеназы:
При этом образуются две молекулы активного ретиналя.
Биологическая роль. Все формы витамина А активны и оказывают влияние на барьерную функцию кожи, слизистых оболочек и других эпителиальных тканей. Механизм этого влияния до конца не ясен, но предполагают, что
витамин А участвует в окислительно-восстановительных реакциях в процессе
синтеза белков. Главная роль витамина А - участие в фотохимическом акте зрения и поддержание его остроты. Оказалось, что окисленная форма витамина А ретиналь в виде цис - изомера является простетической группой белка опсина,
образуя хромопротеид - родопсин, или зрительный пурпур - основное светочувствительное вещество сетчатки (ретины) глаза (отсюда и название "ретинол").
Гиповитаминоз А. Наиболее ранним признаком недостаточности А является ослабление зрения - сумеречная, или "куриная", слепота. Кроме того,
возможна задержка роста в молодом возрасте, общее истощение и похудание.
Специфическим признаком гиповитаминоза являются поражения эпителиальных тканей и слизистых оболочек - избыточное ороговение кожи и ее шелуше125
ние, сухость слизистых, в том числе и роговицы глаза, что ведет к ее воспалению (ксерофтальмии). Сухость кожи и слизистых оболочек способствует проникновению микробов в организм и развитию дерматитов, бронхитов, катаров
дыхательных путей. Поэтому витамин "А" называют еще антиинфекционным.
Гипервитамииоз А - встречается чаще всего у жителей Севера, употребляющих иногда в пищу печень белого медведя, тюленя, моржа, содержащую
много витамина А. Характерные проявления гипервитаминоза - воспаление
глаз, гиперкаратоз, выпадение волос, общее истощение организма вследствие
потери аппетита, тошноты, головной боли, бессоницы.
Распространение в природе и суточная потребность. Наиболее богаты
этим витамином продукты животного происхождения: печень, яичный желток,
цельное молоко, сметана, сливки. Много витамина А в печени морского окуня,
трески, палтуса и других рыб. В растительных продуктах: моркови, томатах,
свекле содержатся каротиноиды - провитамины А. Суточная потребность для
взрослого человека составляет от 1 до 2,5 мг витамина А или от 2 до 5 мг βкаротина. Основной тканью, в которой частично накапливается витамин А, является печень, содержащая в норме 20 мг витамина А на 100 г.
Витамин Д (кальциферол)
Химическая природа. Витамин Д существует в виде нескольких витамеров. Для человека и животных являются активными Д2 и Д3 -производные холестерина:
Витамин Д2(эргокальцыиферол)
Витамин Д3(холекальциферол)
126
Витамины Д2 и Д3 - бесцветные кристаллы, не растворимые в воде, но хорошо растворимые в жирах, хлороформе, ацетоне, эфире и других жирорастворителях.
Биологическая роль. Витамин Д участвует в фосфорно-кальциевом обмене, выполняя и гормональную, и биокаталитическую функцию. Витамин Д
регулирует транспорт ионов кальция и фосфора через клеточные мембраны и
тем самым регулирует их уровень в крови. Эта регуляция основана, по крайней
мере, на трех процессах, в которых участвует витамин Д: 1) транспорт ионов
кальция и фосфата через эпителий слизистой тонкого кишечника при их всасывании; 2) мобилизация кальция из костной ткани; 3) реабсорция кальция и фосфора в почечных канальцах.
Гиповитаминоз Д проявляется в виде заболевания, названного рахитом.
Рахит чаще бывает у детей, при этом снижается в крови уровень кальция и
фосфора и нарушается минерализация костей, происходит их размягчение, что
приводит к деформации костей скелета конечностей, черепа, грудной клетки. У
взрослых Д - гиповитаминоз проявляется в хрупкости костей, что приводит к
частым переломам. Относительная недостаточность витамина Д может быть и
при нормальном его поступлении в организм, она проявляется при заболеваниях печени и особенно почек, так как эти органы принимают участие в образовании активных форм витамина Д.
Гипервитаминоз Д встречается очень редко и отмечен при приеме очень
больших доз синтетитеского препарата витамина Д - возможен летальный исход. Уровень кальция и фосфатов в крови резко повышается (они извлекаются
из костей, всасываются из кишечника и реабсорбируются в почках). Это приводит к кальцификации внутренних органов - сосудов, легких, почек и других.
Распространение в природе и суточная потребность. Наибольшее количество витамина Д содержится в продуктах животного происхождения: в печени, сливочном масле, желтке яйца, а также в дрожжах и растительных жирах.
Наиболее богата витамином Д печень рыб, из нее получают рыбий жир, используемый для профилактики и лечения Д - гиповитаминоза.
127
Суточная потребность в витамине Д для детей колеблется от 12 до 25 мг,
а для взрослых его нужно в десятки раз меньше.
Витамин Е (токоферолы)
Химическая природа. Витамин Е имеет три витамера: α, β и γтокоферолы. По строению они очень близки. Самым активным является α - токоферол, который зачастую и называют витамином Е:
Различные токоферолы отличаются друг от друга числом и расположением метильных групп в бензольном кольце. Токоферолы - бесцветные маслянистые жидкости, хорошо растворимые в растительных маслах, спирте, эфирах. Химически устойчивы - выдерживают нагревание с концентрированной
HCI до 100 °С и на воздухе до 170 °С, но быстро разрушаются под действием
УФ-лучей.
Биологическая роль. По своему механизму действия токоферол является биологическим антиоксидантом, благодаря чему обеспечивает стабильность
биологических мембран клеток организма. Токоферол совместно с селеном
участвует в регуляции пероксидного окисления липидов (предохраняет от
окисления полиненасыщенные жирные кислоты). Токоферол повышает биологическую активность витамина А, защищая его ненасыщенную боковую цепь
от пероксидного окисления.
Гиповитаминоз Е у человека встречается очень редко. У экспериментальных животных недостаточность токоферола проявляется как патология мембран: нарушается устойчивость их к пероксидам, повышается проницаемость и потеря внутриклеточных компонентов, например, белков, для которых в норме мембрана непроходима. Патология мембран ведет к нарушению
нормального развития эмбриона в организме матери, дегенеративному измене128
нию репродуктивных органов, приводящему к стерильности, наблюдается мышечная дистрофия, жировая инфильтрация печени и мышечных тканей.
Распространение в природе и суточная потребность. Важнейшим источником токоферола для человека служат растительные масла (подсолнечное,
кукурузное, хлопковое, оливковое, соевое и другие), а также салат, капуста и
семена злаков. Из продуктов животного происхождения витамин Е содержится
в мясе, сливочном масле, яичном желтке и др. Поскольку витамин Е откладывается во многих тканях организма, его гиповитаминоз почти не наблюдается,
даже если этот витамин не поступает с пищей в течение нескольких месяцев.
Суточная потребность взрослого человека в токофероле примерно 20-30мг.
Витамин К (нафтохиноны)
Химическая природа. Витамин К имеет два витамера - филлохинон (K1):
и менахинон (К2):
Витамин K1 - светло-желтая жидкость, неустойчивая при нагревании в
щелочной среде и при облучении; витамин К2 - желтые кристаллы, такие же неустойчивые. K1 и К2 нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях.
Биологическая роль, витамин К через ферментную систему участвует в
синтезе протромбина в печени, тем самым регулируя процесс свертывания крови, и положительно влияет на состояние кровеносных сосудов.
129
Гиповитаминоз К приводит к заболеванию "геморрагия" - происходят
самопроизвольные кровотечения (носовые, кровавая рвота, внутренние кровоизлияния), повышенная кровоточивость при травмах. У взрослых людей гиповитаминоз К встречается редко, так как кишечная флора полностью обеспечивает организм данным витамином. У грудных детей (пока не развита кишечная
флора) причиной гиповитаминоза К может служить недостаток витамина К в
пище. Основными причинами гиповитаминоза К являются: подавление кишечной флоры лекарственными средствами, заболевания печени и желчного пузыря, при которых нарушается образование желчных кислот (необходимых для
всасывания витаминов). В медицинской практике используют препараты витамина К, и его синтетический аналог - викасол.
Распространение в природе и суточная потребность. Источником витамина К являются растительные (капуста, салат, зеленые томаты, зеленые части растений, тыква) и животные (печень) продукты. Суточная потребность для
взрослого человека 1-2 мг.
7.4. Водорастворимые витамины
Большинство водорастворимых витаминов и витаминоподобных веществ
участвуют в образовании соответствующих коферментов, принимающих непосредственное участие в химических реакциях в ходе метаболизма веществ. Поскольку витамины этой группы в организме человека и животных не синтезируется (за исключениям некоторых), то недостаточное содержание их в пище
может привести к серьезным нарушениям обмена веществ.
Витамин B1 (тиамин)
Химическая природа. Витамин В1 был назван тиамином, так как наряду
с аминогруппой он содержит атом серы:
130
Тиамин - бесцветное кристаллическое вещество, устойчивое к высоким
температурам в кислой среде и быстро разрушающееся при нагревании в
нейтральной и щелочной среде. Поэтому при кулинарной обработке пищи происходит полное или частичное разрушение витамина B1. Тиамин легко всасывается в кишечнике, в тканях не накапливается, не обладает токсическими
свойствами. Избыток В2 выводится с мочой.
Биологическая роль. Витамин В, в виде тиаминпирофосфата:
является коферментом ряда ферментов и их комплексов, катализирующих промежуточный обмен в животных тканях.
Гиповитаминоз В1. При недостаточности тиамина развивается заболевание "бери - бери", широко распространенное в ряде стран Азии и Индокитая,
где основным продуктом питания является полированный рис, содержащий
лишь следы тиамина. Специфические симптомы "бери -бери" связаны с нарушением функций пищеварительной, сердечно-сосудистой и нервной систем.
Более вероятно, что эта болезнь есть следствие комбинированного авитаминоза
B1, В2, В5, B6, С, РР, но основной дефицит при этом в организме витамина B1.
Со стороны пищеварительной системы это проявляется в резкой потере аппетита, снижении секреции желудочного сока и соляной кислоты, атонии (моторная
функция), диарее. Характерным признаком служит резкая атрофия мышечной
ткани (мышечная слабость), снижение сократительной способности сердечной
мышцы (тахикардия и сердечная недостаточность) и гладких мышц (снижение
тонуса гладких мышц кишечника). Со стороны нервной системы гиповитаминоз B1 проявляется в снижении периферической чувствительности, утрате некоторых периферических рефлексов, в сильных болях по ходу нервов, судорогах, в расстройстве высшей нервной деятельности (страх, снижение интеллекта).
131
Распространение в природе и суточная потребность. Тиамином богаты
хлеб грубого помола, горох, фасоль, зародыши семян злаков, меньше В1 в картофеле, моркови, капусте. Из продуктов животного происхождения наиболее
богаты тиамином печень, почки, мозги. Суточная потребность в тиамине взрослого человека составляет 1-3 мг.
Витамин В2 (рибофлавин)
Химическая природа. В основе молекулы рибофлавина лежит гетероциклическое соединение - изоаллоксазин (сочетание бензольного, пиразинового
и пиримидинового оснований), к которому присоединен пятиатомный спирт
рибит:
Витамин В2 - оранжевое кристаллическое вещество, хорошо растворимо в
воде и дает желто-зеленые флуоресцирующие растворы. Устойчив в кислых
растворах, но легко разрушается в нейтральных и щелочных растворах при кипячении и под действием УФ - лучей.
Биологическая роль. Витамин В2 легко окисляется и восстанавливается,
что лежит в основе его биологического действия. Являясь частью флавиновых
коферментов, он участвует в многочисленных реакциях окисления веществ в
клетках: перенос электронов и протонов в дыхательной цепи, окисление пирувата, сукцината, α-кетоглутарата, α-глицерофосфата (обмен углеводов), жирных кислот (обмен липидов) в митохондриях и т.д.
Гиповитаминоз В2 проявляется в снижении содержания коферментных
форм его в тканях, что обнаруживается в виде следующих клинических симптомов. Помимо похудания, остановки роста, выпадения волос, характерных и
для других авитаминозов, специфическими для авитаминоза В2 являются сухость и воспаление слизистых губ, полости рта (язык), в углу рта и на губах
трещины, повышено шелушение кожи (дерматиты). Очень характерны измене132
ния со стороны глаз: кератиты - воспалительные процессы роговой оболочки и
прорастание ее сосудами (васкуляризация), помутнение хрусталика (катаракта).
Кроме того может развиваться мышечная слабость и слабость сердечной мышцы, что иногда приводит к коллапсу - параличу этой мышцы.
Распространение в природе и суточная потребность. Источником рибофлавина для человека служат продукты питания и частично кишечные бактерии. Богаты витамином В2 печень, почки, желток яиц, творог. В растительных
продуктах (семена злаков, зеленые овощи, репа, яблоки, миндаль, овес, лукпорей и др.) его меньше. Избыток В2 выводится из организма через почки. Суточная потребность взрослого человека в нем 2-4 мг.
Витамин В3 ( пантотеновая кислота )
Химическая природа. Пантотеновая кислота является комплексным соединением β-аланина и α,γ-дигидрокси-β,β-диметилмасляной кислоты:
Витамин В3 представляет собой вязкую светло - желтую жидкость, хорошо растворимую в воде; она малоустойчива и легко гидролизуется под действием
кислот и щелочей.
Биологическая функция пантотеновой кислоты реализуется через кофермент А (КоА, коэнзим А), в состав которого она входит. Кофермент А - основной кофермент в клетках, катализирующий реакции ацилирования в процессе обмена углеводов, липидов, белков. Ниже представлена формула кофермента А:
133
Гиповитаминоз В3 у человека не обнаружен. Его изучали на животных и
людях-добровольцах путем введения антагонистов пантотеновой кислоты. Выявлено, что гиповитаминоз В3 проявляется в развитии дерматитов, поражении
слизистых оболочек, дегенеративных изменениях желез внутренней секреции
(например, надпочечников) и нервной системы (невриты, параличи), повреждениях сердца и почек, потере аппетита, истощении, выпадении (аллопеция) и поседении волос и др. Это многообразие клинических проявлений недостаточности В3 свидетельствует о его очень важной роли в метаболизме веществ и увеличении продолжительности жизни.
Распространение в природе и суточная потребность. Источником В3
для человека являются кишечные бактерии и продукты питания. Пантотеновая
кислота содержится во всех растительных, животных и микробных объектах
(отсюда ее название от греческого "пантотен" - повсюду). Для человека основные пищевые источники этого витамина: печень, желток яиц, дрожжи, зеленые
части растений, кисломолочные продукты. Суточная потребность взрослого человека в витамине В3 примерно 10 мг.
Витамин В5
(РР, ниацин, никотинамид, никотиновая кислота )
Химическая природа. Никотиновая кислота (В5, РР) представляет собой
соединение пиридинового ряда, содержащее карбоксильную группу (никотинамид отличается наличием амидной группы):
Никотиновая кислота
Никотинамид
Витамин РР - белые игольчатые кристаллы, малорастворимые в воде
(~1%), но хорошо растворимы в водных растворах щелочей, химически устойчив.
Биологическая роль. Витамин РР в форме коферментов (никотинамидадениндинуклеотида - НАД и никотинамидадениндинуклеотидфосфата - НАДФ)
134
участвует в окислительно-восстановительных реакциях, катализируемых дегидрогеназами: окисление углеводов, жирных кислот, глицерина, аминокислот,
реакции цикла Кребса, реакции дыхательной цепи (биологическое окисление).
Кроме того, восстановленная форма НАДФ используется как донор водорода в
синтетических (анаболизм) восстановительных реакциях (например, в синтезе
жирных кислот, холестерина и других стероидов).
НАД состоит из двух частей, объединенных связью между остатками
фосфорной кислоты. Одна часть представляет собой остаток нуклеотида (адениловой кислоты, см. главу 4). Другая - тоже нуклеотид, в котором в качестве
азотистого основания - амид никотиновой кислоты (витамин В5).
НАД - зависимые дегидрогеназы - катализируют реакции окисления веществ путем дегидрирования; при этом окисляемое вещество служит донором
водорода (D • H2), а НАД является акцептором водорода, т.е. восстанавливается. Остаток никотинамида в молекуле НАД принимает непосредственное участие в реакции:
Из двух атомов водорода (2 протона + 2 электрона), отщепляемых от субстрата, к НАД присоединяются один протон (второй переходит в среду) и два
электрона, в результате чего утрачивается положительный заряд пиридинового
цикла НАД. Поэтому в уравнениях реакций окисленный и восстановленный
НАД изображаются по разному: НАД+ и НАД.Н+Н+ соответственно.
НАДФ отличается от НАД только наличием дополнительного фосфатного остатка в положении 2 молекулы рибозы в адениловой части молекулы.
НАДФ - зависимые дегидрогеназы - катализируют такого же типа реакции, как
и НАД - зависимые:
D•H2 + НАДФ* ↔ НАДФ.Н + Н+ + D
135
Гиповитаминоз В5(РР) приводит к заболеванию, называемому "пеллагрой". Как правило гиповитаминоз РР сопровождается гиповитаминозами В2
и В6, так как для синтеза никотиновой кислоты в организме из триптофана требуются коферменты рибофлавина и пиридоксина. Пеллагра проявляется в виде
дерматита на участках кожи, доступных действию солнечных лучей (фотодерматит), нарушением пищеварения (диарея, язвенная болезнь кишечника),
нарушением функции периферических нервов (невриты), атрофией и болезненностью языка (трещины, вздутие) нарушением деятельности мозга (головные
боли, психозы, депрессии, слабоумие). При тяжелых формах пеллагры наблюдаются кровоизлияния на протяжении всего желудочно-кишечного тракта.
Распространение в природе и суточная потребность. Как уже было
сказано выше, витамин РР может синтезироваться в организме: из 60 молекул
триптофана образуется одна молекула ниацина (РР). Поэтому продукты, богатые триптофаном (например, молоко, яйца), могут устранять дефицит РР в организме. Основные пищевые источники ниацина для человека - животные (мясо, печень, почки), многие растительные (хлеб, картофель, крупы, грибы) и
кисломолочные продукты. Молоко и яйца содержат следы ниацина. Суточная
потребность в РР зависит от потребления триптофана. Она составляет для
взрослого человека 15-25мг.
Витамин В6 (пиридоксин)
Химическая природа. Термин "витамин В6" применяется к трем производным 3-оксипиридина, обладающим витаминной активностью -пиридоксину
(пиридоксол), пиридоксалю и пиридоксамину, имеющим следующее строение:
Пиридоксин
Пиридоксаль
136
Пиридоксамин
Витамин В6 - белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде и этаноле. Водные растворы его устойчивы к кислотам и щелочам, но чувствительны к действию света, особенно при нейтральном рН среды.
Биологическая роль. Все три формы витамина В6 организме легко переходят в пиридоксальфосфат:
который входит в состав коферментов почти всех классов ферментов: оксидоредуктаз, трансфераз, гидролаз, лиаз и изомераз. К числу важнейших функций
пиридоксальфосфата (в составе различных ферментов) можно отнести следующие: окисление (обезвреживание) биогенных аминов, взаимопревращение и катаболизм аминокислот (обмен белков), биосинтез гормонов в щитовидной железе и катаболизм их в периферических тканях, окисление (обезвреживание) γаминомасляной кислоты (медиатора торможения ЦНС), синтез ниацина из
триптофана, образование биогенных аминов (тканевых и нервных медиаторов),
биосинтез гемагемоглобина и миоглобина, биосинтез липидов; утилизация Dаминокислот, участие в гликогенолиэе и т.д. Таким образом, пищевой дефицит
В6 может привести к возникновению многочисленных нарушений в обмене веществ.
Гиповитаминоз В6 у человека встречается реже, чем у животных. У детей пиридоксиновая недостаточность сопровождается повышенной возбудимостью ЦНС, периодическими судорогами, что связано, вероятно, с недостаточным образованием γ-аминомасляной кислоты - тормозного медиатора нейронов
мозга, с дерматитами. У взрослых людей могут возникать пеллагроподобные
дерматиты, не излечиваемые ниацином, повышенная возбудимость нервной системы, нарушение кроветворения.
Распространение, в природе и суточная потребность. Источником В6
для человека служат кишечные бактерии и пища. В6 широко распространен в
137
растительных и животных продуктах. Он содержится в хлебе, горохе, фасоли,
картофеле, мясе, почках, печени, кислом молоке, рыбе, капусте, моркови, зелени и др. Суточная потребность в витамине В6 для взрослого человека 2-3 мг.
Витании В9 (BС, фолиевая кислота)
Химическая природа. Фолиевая кислота состоит из трех структурных
единиц: остатка теридина (I), парааминобензойной (П ) и L - глутаминовой (III)
кислот - и имеет следующую структуру:
BС (В9) - желтый кристаллический порошок без запаха и вкуса, ограниченно растворимый в воде, но хорошо растворимый в разбавленном растворе
спирта.
Биологическая роль. Фолиевая кислота в организме превращается в тепрагидрофолиевую кислоту (ТГФК):
которая выполняет коферментные функции, связанные с переносом одноуглеродных групп при биосинтезе метионина и тимина (перенос метельной группы
- СН3 ), серина (перенос оксиметильной группы CH3O-), при образовании пуриновых нуклеотидов (перенос формальной группы НСОО-) и так далее. Таким
образом, BС играет важную роль в процессах обмена нуклеиновых кислот и
белков.
Гиповитаминоз В9 (ВС) встречается очень редко и приводит к анемии.
Причиной ее служит нарушение биосинтеза пуриновых оснований и дезокситимидинфосфата, что вызывает угнетение синтеза ДНК и деления (пролиферации) кроветворных клеток. При этой анемии наблюдается снижение количества
138
эритроцитов и гемоглобина в крови, а также лейкоцитов (лейкопения). Особенно важен ВС для бактерий, являясь их главным ростовым фактором. У человека
гиповитаминоза ВС практически не бывает, так как этот витамин синтезируется
микрофлорой кишечника и поступает с пищей.
Распространение в природе и суточная потребность. Фолиевая кислота
широко распространена в природе. Ею богаты и растительные (салат, капуста,
томаты, земляника, шпинат), и животные (печень, мясо, желток яиц, почки)
продукты, а также дрожжи. Суточная потребность в фолиевой кислоте взрослого человека - 200-400 мкг. У беременных потребность в ней возрастает в 2 раза.
Витамин В12 ( кобадимим, цианокобаламин )
Химическая природа. В12 - единственный витамин, содержащий в своей
молекуле металл - кобальт. Молекула В12 (представлена ниже) имеет очень
сложное строение: центральный атом Со(III) соединен координационными связями с атомами азота четырех восстановленных пиррольных колец, с атомом
азота 5,6 - диметилбензимидазола и с цианид-ионом; ко второму атому азота
бензимидазола присоединен нуклеотидный лиганд, содержащий рибозу и фосфатный остаток.
Биологическая роль. В12 входит в состав коферментов, которые участвуют в катализе различных реакций трансметилирования, дезаминирования,
изомеризации. Кроме того, предполагают, что кобаламины облегчают депонирование и образование коферментных форм фолиевой кислоты и тем самым посредством коферментов фолиевой кислоты участвуют в синтезе ДНК и пролиферации кроветворных клеток.
Гиповитаминоз В12 приводит к анемии. Помимо этого возможны расстройства деятельности нервной системы, резкое снижение кислотности желудочного сока. Для нормального всасывания B12 в кишечнике желудочный сок
должен содержать особый белок гастромукопротеин (названный внутренним
фактором Касла), который связывает В12 в сложный комплекс, и только в таком
виде В12 усваивается в кишечнике. Если нарушен синтез внутреннего фактора в
139
слизистой оболочке желудка, то наступает авитаминоз В12 даже при достаточном поступлении его с пищей; в этом случае назначают инъекции В12.
Распространение в природе и суточная потребность. Частично В12
синтезируется кишечными бактериями. Это единственный витамин, синтез которого осуществляется исключительно микроорганизмами; ни растения, ни
ткани животных этой способностью не обладают. Растительные продукты бедны кобаламинами. Основные источники В12 для человека - мясо, говяжья печень, почки, рыба, молоко, яйца. Главным местом накопления витамина В 12 в
организме человека является печень, в которой содержится до нескольких миллиграммов витамина. Суточная потребность взрослого человека в витамине В12
- 2,5-5 мкг. В медицинской практике применение кобаламинов целесообразно в
сочетании с витамином ВС и железом, так как они необходимы для синтеза гемоглобина.
Витамин В12(кобаламин)
140
Витамин С (аскорбиновая кислота)
Химическая природа. По химической структуре аскорбиновая кислота
представляет собой лактон кислоты со структурой, близкой структуре L - глюкозы.
Витамин С - бесцветные кристаллы кислого вкуса, хорошо растворимые в
воде и хуже - в этаноле, нерастворимые в других органических растворителях.
Аскорбиновая кислота легко разрушается в присутствии кислорода, этому способствуют ионы железа и меди. При кулинарной обработке продуктов, содержащих витамин С, он частично разрушаются. Биологическая роль витамина С
связана с его участием в окислительно-восстановительных процессах. Аскорбиновая кислота образу редокс - пару с дегидроаскорбиновой кислотой:
L-аскорбиновая кислота
L-дегидроаскорбиновая кислота
Благодаря своим окислительно-восстановительным свойствам витамин С
участвует в процессах превращения ароматических аминокислот с образованием некоторых нейромедиаторов, в синтезе кортикостероидов, в процессах кроветворения и в образовании коллагена, являющегося главным внеклеточным компонентом соединительной ткани.
Гиповитаминоз С приводит к заболеванию "цинга". Недостаток витамина С приводит к нарушению образования коллагена соединительной ткани, постепенному разрушению её. В результате повышается проницаемость и ломкость капилляров и возникают подкожные кровоизлияния. На основе возникших биохимических нарушений развиваются внешние проявления цинги: расшатывание и выпадение зубов, кровоточивость десен, отеки и боли в суставах,
бледность кожных покровов, кровоизлияния, поражения костей.
141
Распространение в природе и суточная потребность. Свежие фрукты и
овощи являются основным источником витамина С для человека. Особенно богат им шиповник. Много аскорбиновой кислоты в салате, капусте, перце, хрене,
укропе, цитрусовых, томатах, щавеле, картофеле. Богаты витамином С - хвоя,
листья березы, липы, черной смородины, малины. Суточная потребность в витамине С для взрослого человека 100-120 мг.
Витамин Н ( биотин )
Химическая природа. Молекула биотина состоит из имидазолового и
тиофенового колец, составляющих гетероциклическую часть молекулы, а боковая цепь представлена валериановой кислотой:
Биотин - бесцветные игольчатые кристаллы, хорошо растворимые в воде,
ограниченно растворимы в спиртах и нерастворимы в других органических
растворителях. Биотин устойчив к действию кислорода и серной кислоты, но
разрушается под действием перекиси водорода, брома, соляной и азотной кислот, щелочей.
Биологическая роль. Биотин в качестве кофермента входит в ферменты,
катализирующие реакции карбоксилирования и транскарбоксилирования, имеющие важное значение при синтезе высших жирных кислот, белков, пуриновых
нуклеотидов.
Гиповитаминоз Н у человека практически не выявлен. Недостаточность
его может возникать в случае употребления большого количества сырых яиц
или приема сульфаниламидных препаратов и антибиотиков, подавляющих рост
бактерий в кишечнике и тем самым снижающих синтез в организме биотина.
Клинические симптомы гиповитаминоза: дерматиты, выпадение волос, усиление выделения жира сальными железами кожи (себоррея), поражение ногтей,
боли в мышцах, усталость, сонливость, депрессия, а также анемия.
142
Распространение в природе и суточная потребность. В основном потребность человека в биотине покрывается за счет его биосинтеза кишечными
бактериями. Богаты биотипом горох, соя, цветная капуста, грибы, яичный желток, печень и т.д. Суточная потребность в биотине составляет около 150 - 200
мкг.
Витамин Р (рутин, витамин проницаемости)
Химическая природа. Известно более десятка веществ с Р-витаминной
активностью, в основе всех их лежит скелет флавона. Витамин Р - это катехины, флавины, флавононы, изофлавоны и другие биофлавоноиды. Препараты
биофлавоноидов - кристаллические вещества желтого или оранжевого цвета,
плохо растворимые в воде, но хорошо растворимые в уксусной кислоте, спирте
и разбавленных щелочных растворах. В качестве примера приводится структура рутина, выделенного из листьев гречихи:
Биологическая роль биофлавоноидов заключается в стабилизации основного вещества соединительной ткани, причем их действие взаимосвязано с
действием витамина С. Вероятно, витамины Р и С функционируют в окислительно-восстановительных реакциях вместе, образуя единую систему, что косвенно подтверждается лечебным эффектом препарата аскорутина.
Гиповитаминоз Р проявляется симптомами повышенной ломкости и
проницаемости капилляров, точечными кровоизлияниями и кровоточивостью
десен. Поэтому витамин Р называют капилляроукрепляющим и витамином
проницаемости.
Распространение в природе и суточная потребность. Р-витаминными
веществами богаты свежие фрукты и ягоды, особенно черноплодная рябина,
черная смородина, яблоки, виноград, лимон, а также листья чая и плоды шиповника. Суточная потребность 25 -50 мг.
143
7.5. Витаминоподобные вещества
Парааминобензойная кислота - кристаллическое вещество, плохо растворимое в воде, хорошо - в спирте и эфире, химически стойкое, выдерживает
кипячение в кислой и щелочной среде:
Биологическая роль - входит в состав молекулы фолиевой кислоты, являющейся необходимым факторам для жизнедеятельности микроорганизмов.
Кроме того, п-аминобензойная кислота необходима для нормального процесса
пигментации волос, шерсти, кожи.
Источники: печень, почки, мясо, дрожжи; в меньшей мере - молоко, яйца, картофель, хлеб, шпинат, морковь.
Витамин В15(пангамовая кислота) имеет следующее строение:
Биологическая роль изучена недостаточно. Предполагают, что пангамовая кислота участвует в биосинтезе холина, метионина, креатина в качестве источника метильных групп. Гипо- и гиперавитанинозы у человека неизвестны,
но препараты пангамовой кислоты дают хороший лечебный эффект при жировом перерождении печени и кислородном голодании.
Источники: печень, семена растений, дрожжи.
Инозит - растворимый в воде шестиатомный атирт циклогексанол:
Отсутствие этого вещества в организме животных приводит к остановке
роста, потере шерстного покрова, отложению холестерина в печени.
144
Биологическая роль инозита, вероятно, связана с обменом фссфоглицеридов. Для человека витаминные свойства инозита до конца не установлены. На практике инозит используют как липотропный препарат для лечения
мышечной дистрофии.
Источники: печень, мясо, молоко, хлеб из муки грубого помола, овощи и
фрукты.
Коэиаим Q (убихинон, KoQ). Широко распространенный жирорастворимый кофермент - найден в клетках животных, растений, микроорганизмов,
грибов (убихинон - вездесущий хиной). Внутри клеток он локализован в митохондриях и в мембранных структурах (в случае бактерий). Убихиноны являются производными бензохинона и обладают боковой цепью, состоящей из большого числа изопреноидных остатков:
Биологическая роль - является обязательным компонентом дыхательной
цепи, осуществляет в митохондриях перенос электронов от мембранных дегидрогеназ на цитохромы. В организме человека KoQ может синтезироваться из
мевалоновой кислоты и продуктов обмена фенилаланина и тирозина. Недостаток KoQ в организме приводит к развитию анемии, мышечной дистрофии и
сердечной недостаточности.
Витамин U ( противоязвенный фактор) - кристаллическое вещество,
хорошо растворимое в воде, при 100 °С легко разрушается, особенно в
нейтральной и щелочной среде; устойчив в кислой среде.
Биологическая роль: известно, что у крыс он полностью заменяет потребности в метионине (так как по химической природе является S метилметионином), у животных и человека принимает участие в синтезе метионина, холина и креатина; бактерии используют его в качестве донора металь145
ных групп. Витамин U излечивает язвенную болезнь. Его применяют либо в
качестве индивидуального препарата, или в составе капустного сока, причем в
первом варианте он в 1000 раз активнее - уже через 15-20 дней наступает выздоровление.
Источники витамина U: свежая капуста, зелень петрушки и репы, морковь, лук, перец, зеленый чай, бананы, фрукты, сырое молоко, печень и другие.
Липоевая кислота имеет следующее строение:
Является фактором роста молочнокислых бактерий, а также некоторых
стрептококов. Является коферментом наряду с тиаминпирофосфатом и КоА
сложной мультимерной лируват- и кетоглутаратдегидрогеназной системы. Липоевая кислота играет незаменимую роль в окислении и переносе ацильных
групп.
Холин
является
структурным
компонентом
более
сложного
ор-
ганического фосфорсодержащего соединения - фосфатидилхолина, или лецитина, открытого в яичном желтке и ткани мозга. Имеет следующее строение:
НО—СН2—СН2—N+(CH3)3
Особая роль лецитина обусловлена именно холимом в его составе. Недостаток холина в пище или его исключение приводит к ожирению печени. Холин
- "частичный витамин", так как он в достаточном количестве синтезируется в
организме человека и животных, но при недостатке в пище белка, необходимого для синтеза, может возникнуть и недостаток этого витамина. Холин хорошо
растворим в воде и спирте.
Холин является составной частью ацетилхолина - медиатора нервного
импульса, а также участвует в реакциях трансметилирования при биосинтезе
метионина, пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов фосфолипидов и других.
Источники: печень, почки, мясо, рыба, капуста.
146
Витамин F (комплекс ненасыщенных жирных кислот). В этот комплекс входит линолевая, линоленовая, арахидоновая (см. главу 5) кислоты. Эти
кислоты не синтезируются в животном организме и должны поступать в организм с пищей.
Витамин F участвует в регуляции обмена липидов и способствует выведению из организма животных и человека холестерола, а это предотвращает
атеросклероз. Отмечено также положительное влияние витамина F на состояние кожного и волосяного покровов.
Источники: линолевой и линоленовой кислот - растительные масла
(подсолнечное, соевое, хлопковое, льняное); арахидоновой - жиры животного
происхождения.
147
Глава 8. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И
ЭНЕРГИИ В ОРГАНИЗМЕ
С точки зрения термодинамики, все системы по характеру обмена с
окружающей средой делятся на три вида:
1) изолированные - нет обмена со средой ни веществом, ни энергией;
2) закрытые - обмен со средой только энергией;
3) открытые - обмен со средой и веществом, и энергией.
Примерами открытых систем могут служить озеро или река, доменная
печь, узел трения какого - либо станка или машины, а также живой организм.
Во всех этих системах происходит преобразование химических соединений,
взаимодействие их друг с другом, разрушение одних из них и синтез других, и
все эти процессы сопровождаются изменением энергии. Однако при этом неживая система любого типа в отличие от живой не самообновляется, а лишь видоизменяется.
Обмен веществ и энергии составляет сущность жизнедеятельности любого организма. Прекращение этого обмена означает прекращение жизни. Обмен
веществ и обмен энергии неразрывно связаны и представляют собой диалектическое единство.
8.1. Обмен веществ
В обмене веществ организма выделяют внешний обмен, включающий поступление веществ из среды в организм (в результате питания и дыхания) и выделение конечных продуктов обмена, а также промежуточный обмен. Под промежуточным обменом, или метаболизмом, понимают совокупность всех химических реакций, протекающих в живом организме, включая усвоение веществ
(ассимиляция) и их расщепление (диссимиляция) до конечных продуктов, и
обеспечивающих организм веществами и энергией для его жизнедеятельности,
роста, размножения.
Определенная последовательность химических превращений какого-либо
вещества в организме называется метаболическим путем, а образующиеся промежуточные продукты - метаболитами.
148
Метаболизм осуществляется при условии и в результате постоянного
взаимодействия организма и среды. В связи с этим ход и характер этого процесса зависят от условий внешней среды. Характерные организмам химические
превращения осуществляются лишь в определенных, ограниченных интервалах
температуры, давления, радиации; лишь при условии постоянного притока веществ, пригодных для организма, и оттока веществ, которые уже не могут служить исходным материалом для построения органов и тканей организма.
При изменениях состояния организма (температурные изменения, прием
пищи, смена умственного труда физическим, переход от сна к двигательной активности) концентрация метаболитов в организме изменяется и система (организм) переходит в новое стационарное состояние с новыми скоростями метаболических превращений или их направлением.
Таким
образом,
любой
живой
организм
представляет
саморегу-
лирующуюся систему, закономерно и адекватно изменяющуюся при изменении
условий среды, которые организм ассимилирует. Саморегуляция обмена веществ и энергии - важнейшее свойство живых систем.
При нормальном обмене веществ и энергии организм человека находится
в стационарном состоянии, то есть его масса сохраняется постоянной. Некоторые величины, характеризующие обмен веществ у человека, приведены в
табл.10.
Основную массу элементов, из которых построены пищевые вещества, а
также организм человека, составляют С, Н, О и N. Эти же элементы входят в
состав главных конечных продуктов обмена веществ -СО2, Н2О и мочевины.
Кроме этих продуктов человек выделяет с мочой, калом, потом, выдыхаемым
воздухом много и других веществ, но в незначительных количествах. Однако
физиологическое значение выделения таких веществ может быть велико.
Например, нарушение выделения продуктов распада гена или лекарственных
препаратов может быть причиной нарушения обмена веществ и энергии, приводящего к заболеванию.
149
Основные пищевые вещества, как правило, представляют собой полимеры, которые не могут быть усвоены клетками организма. В желудочнокишечном тракте они под действием ферментов-гидролаз расщепляются на мономеры - в этом сущность пищеварения. В результате из различных белков, полисахаридов, жиров получается 20 белковых аминокислот, небольшое число
моносахаридов (в основном, глюкоза, фруктоза, галактоза), глицерин, жирные
кислоты (главным образом олеиновая, стеариновая, пальмитиновая). Мономеры
легко проникают через клеточные мембраны кишечного эпителия и, попадая в
лимфу и кровь, транспортируются во все органы и ткани, где и используются в
процессе метаболизма.
Таблица 10. Суточный обмен человека
(средние величины для взрослого человека с массой 70 кг.)
Вещества
Содержание в
Суточное
Суточное
организме, г
потребление, г
выделение, г
О2
850
СО2
1000
Н2О
42000
2200
2600
Органические вещества:
белки
15000
80
липиды
10000
100
углеводы
700
400
нуклеиновые кислоты
700
мочевина
30
Минеральные соли
3500
20
20
Всего
71900
3650
3650
Различают две стороны метаболизма - анаболизм и катаболизм.
Анаболизм - это синтез сложных молекул из более простых, направленный на образование и обновление структурно-функциональных компонентов клетки, таких как белки, нуклеиновые кислоты, гормоны, коферменты и
другие. Анаболические процессы преимущественно восстановительные и требуют затрат энергии (эндергомические).
Катаболизм - это расщепление сложных молекул как поступивших с пищей, так и входящих в состав клетки, до простых компонентов (в конечном
150
итоге чаще всего до СО2 и Н2О). Катаболические процессы обычно окислительные и сопровождаются выделением энергии (экзергонические).
Обе стороны метаболизма взаимосвязаны в пространстве и во времени,
при этом установлена принципиальная общность совокупности метаболических
превращений у разных видов живых организмов. Источником энергии для реакций анаболизма служат процессы катаболизма.
При распаде веществ до конечных продуктов обмена у взрослого человека, например, освобождается 8000 - 12000 кДж энергии в сутки.
Энергия катаболизма используется не только в анаболических процессах,
но и для обеспечения функциональной активности клетки (рис 22).
Рис.22. Схема метаболизма
Структурно-функциональные компоненты клеток непрерывно обновляются. В организме происходит постоянно и распад, и синтез структурных компонентов клеток. В растущем организме скорость образования их превышает
скорость распада, у взрослого человека скорости этих процессов одинаковы.
Катаболические и анаболические процессы, в особенности у эукариотов,
отличаются по своей локализации в клетке. Принадлежность различных ферментных систем определенным участкам клетки (компартментализация) обеспечивает как разделение, так и интеграцию внутриклеточных функций, возможность протекания в одно и то же время как анаболических, так и катаболи151
ческих процессов и тем самым соответствующую регуляцию процессов обмена
веществ и энергии в клетке.
8.2. Обмен энергии
Как уже было сказано выше, обмен веществ невозможен без сопутствующего ему обмена энергии.
Все живые организмы по использованию источников энергии делят на
две группы:
1. Аутотрофы - организмы, способные непосредственно использовать лучистую энергию солнца в процессе фотосинтеза органических соединений
(белков, углеводов, жирных кислот) из неорганических. Это прежде всего растения.
2. Гетеротрофы - организмы, использующие в качестве источника энергии (а также пластического материала) органические соединения, посредством
их ассимиляции. Это все остальные организмы.
Таким образом, основным энергетическим источником для человека является энергия, запасенная в химических соединениях компонентов пищевых
продуктов. Поэтому питание человека - основной фактор внешней среды, влияющий на здоровье и продолжительность жизни.
Основными веществами, за счет которых организм человека обеспечивается энергией, служат углеводы и жиры пищи (табл. 11).
Таблица 11. Среднее суточное потребление энергии с основными пищевыми
веществами у взрослого человека
Вещество
Удельная калорийность
Суточное потребление
ккал/г
кДж/г
г
ккал
кДж
Белки
4,1
17
80
328
1360
Жиры
9,3
39
100
930
3900
Углеводы
4,1
17
400
1640
6800
Меньшее значение имеют белки, однако при преимущественно белковом
питании и при голодании их роль как источника энергии значительно возрастает.
152
В чем же сущность процессов обмена энергией? Все химические реакции,
протекающие в живых клетках, подчиняются законам термодинамики (законам
энергетики). Согласно первому закону термодинамики, энергию нельзя ни создать, ни уничтожить. Поглощенная системой энергия (в виде теплоты) расходуется на совершение работы и изменение внутренней энергий (при изохорном
процессе) или энтальпии (при изобарном процессе). Математически это выражается следующим уравнением:
Q = ΔН + А,
где Q - энергия в виде теплоты;
ΔН - изменение энтальпии;
А - полезная работа.
Живые организмы в отличие от неживых объектов функционируют при
постоянной температуре и давлении, поэтому они не способны использовать
тепловую энергию для совершения работы. Они используют энергию органических веществ, поступающих в организм извне, так как каждое вещество обладает определенным запасом энергии, за счет которой может быть совершена работа.
Энергия химической реакции, или тепловой эффект, при постоянном давлении и температуре равна изменению энтальпии. При этом часть этой энергии
(энтальпии) может быть использована для совершения работы (так называемая
«свободная энергия», или энергия Гиббса). Другая часть, которая не может
быть превращена в работу, называется связанной энергией и равна произведению TΔS (ΔS- изменение энтропии - меры хаоса в системе).
Характер связи между тепловым эффектом (энтальпией) и свободной
энергией выражается уравнением
ΔН = ΔG + TΔS,
или
ΔG = ΔН-TΔS.
Самопроизвольно химические процессы могут протекать лишь в направлении, приводящем систему в состояние равновесия. Согласно второму закону
термодинамики, самопроизвольно процессы протекают в направлении увеличения энтропии (см. "Введение''). Все реакции, которые сопровождаются возрас153
танием энтропии, необратимы. Но практически предсказать направление химической реакции проще всего с помощью свободной энергии Гиббса, которую, в
отличие от энтропии, можно измерить в ходе реакции.
При ΔG<0 (сумма свободных энергий продуктов реакции меньше, чем
исходных веществ) реакция идет самопроизвольно с выделением свободной
энергии; при ΔG>0 реакция протекать самопроизвольно не может, необходима
энергия извне для ее протекания. Если система в состоянии равновесия, ΔG=0.
Свободная энергия химических реакций оценивается в стандартных условиях и в реальных (физиологических). Под стандартной свободной энергией
ΔG0 биохимических реакций понимается измерение её в стандартных условиях:
при концентрациях компонентов реакции 1 моль/л, температуре 25°С (298 К) и
рН = 7. Стандартную свободную энергии находят по разности между суммарными значениями свободной энергии конечных продуктов и исходных веществ.
Для биохимической реакции, идущей в физиологических условиях, рассчитывается величина ΔGФ с учетом фактической концентрации компонентов.
Каждое органическое соединение, входящее в состав живой материи, обладает определенным уровнем свободной энергии. В результате химической
реакции происходит перераспределение свободной энергии между компонентами реакционной смеси, то есть протекает обмен энергией между веществами.
Освобождающаяся в результате катаболических процессов свободная
энергия в дальнейшем используется для осуществления анаболических процессов. Роль энергетических посредников между ними выполняют макроэргические соединения. Главными материальными носителями свободной энергии являются химические связи. Если в результате гидролиза (гидролитического разрыва) связи изменение свободной энергии системы (ΔG) составляет более 21
кДж/моль, то говорят, что данная связь богата энергией. Такие связи и соединения, их содержащие, называются макроэргическими (высокоэнергетическими).
Если свободная энергия меньше 21 кДж/моль - связь и соединение, ее содержащее, - низкоэнергетические. Не следует путать эту величину, которая используется для характеристики биохимических процессов, с энергий связи, под
154
которой понимается энергия, необходимая для разрыва связи между двумя атомами в любой молекуле.
Большинство макроэргических соединений являются ангидридами фосфорной
кислоты
(нуклеозидтрифосфаты),
хотя
существуют
и
низ-
коэнергетические фосфаты (табл.12).
Главную роль в энергообмене клеток играет система адениловых нуклеотидов: АТФ →АДФ →АМФ, а также фосфорная кислота Н3Р04 и ионы Мg2+.
Таким образом, углеводы, жиры или белки, а также продукты их расщепления
не могут непосредственно служить «топливом» для клеточных процессов. Ряд
процессов диссимиляции - тканевое дыхание, брожение и гликолиз - занимают
центральное место в обмене веществ. В результате этих процессов происходит
освобождение энергии, заключенной в молекулах сложных органических соединений, которая частично трансформируется в энергию АТФ (см. рис. 22).
Он и выполняет роль универсального «топлива» клетки.
Таблица 12. Стандартная свободная энергия гидролиза (ΔG0 и свободная энергия при физиологических условиях (ΔGФ) некоторых высоко- и низкоэнергетических соединений
Соединения
ΔС°кДж/молъ
ΔGФ,кДж/моль
Высокоэнергетические
Фосфоенолпируват
61,7
66,7
1,3- Бифосфоглицерат
49,2
41,7
Креатинфосфат
42,5
41,7
АТФ →АДФ →Н3РО4
30,4
50,0
Ацетил-КоА
30,4
АДФ→АМФ → Н3РО4
28,3
50,0
Пирофосфат H4P2О7
28,3
50,0
УДФ-глюкоза
24,2
Низкоэнергетические
Глюкозо-1-фосфат
21,0
Фруктозо-6-фосфат
13,8
АМФ
14,1
Глюкозо-6-фосфат
13,8
23,8
Глицерол-З-фосфат
9,2
АТФ, подвергаясь гидролизу, осуществляет функцию переносчика химической энергии, необходимой для удовлетворения большей части энергетиче155
ских потребностей клеток (см. рис.22). Другие нуклеозидтрифосфаты - УТФ,
ЦГФ, ГТФ, ТТФ, а также ряд других веществ также относят к макроэргическим
соединениям, однако образование самих этих соединений зависит от энергии,
поставляемой АТФ.
Возможно несколько вариантов освобождения энергии фосфоэфирных
связей АТФ:
1. Наиболее частый вариант - это отщепление концевого остатка фосфорной кислоты:
АТФ + H2O → АДФ + Н3РО4.
Концевой остаток соединяется с водой (образуется фосфорная кислота)
или переносится на другое вещество, которое при этом фосфорилируется.
Освобождающаяся энергия используется в реакциях анаболизма.
2. Другой вариант освобождения энергии фосфатной связи - пирофосфатное расщепление АТФ:
АТФ+Н2О → АМФ+Н4Р2О7.
Этот тип реакций реже используется в биологических процессах. Образующийся пирофосфат относится к высокоэнергетическим соединениям.
3. При гидролизе пирофосфата:
Н4Р2О7+H2О →2H3PО4.
освобождается примерно столько же энергии, сколько при гидролизе концевых
фосфатных связей АТФ, но эта энергия мало используется для синтеза других
веществ.
4. Возможно использование АДФ как высокоэнергетического соединения:
АДФ + H2O → АМФ + Н3РО4.
При этом также высвобождается то же количество энергий, что и при отщеплении концевого фосфатного остатка от АТФ, то есть, в принципе, АДФ
мог бы заменять АТФ, например, в реакциях фосфорилирования. Но эта возможность не реализуется в биологических процессах.
Таким образом, в биохимических синтезах используется только энергия,
освобождающаяся в первом варианте. Во всех остальных случаях происходит
освобождение энергии в виде теплоты.
156
Глава 9. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ
Биологическое окисление – это совокупность реакций окисления органических веществ в живых клетках. Субстраты окисления образуются в ходе катабализма белков, углеводов и липидов. Наиболее распространенный типом реакций биологического окисления являются реакции дегидрирования, протекающие с участием дегидрогеназ.
Если акцептором водорода в этих реакциях служит не кислород, а другой
субстрат, то такие реакции называют анаэробным окислением: если же акцептор водорода - кислород и образуется вода, то такие реакции биологического
окисления называют аэробный биологический окислением или тканевым дыханием.
Субстраты дегидрирования образуются вне митохондрий, но затем
транспортируются внутрь митохондрий, где происходит биологическое окисление. Этот процесс протекает с полным освобождением энергии, которая аккумулируется в основном в фосфатных связях АТФ. В митохондриях производится основная часть всей энергии клетки, поэтому их образно называют энергетическими станциями клеток.
Аэробное биологическое окисление, или тканевое дыхание, в отличие от
обычного горения органических веществ в неживой системе протекает постепенно и включаете себя рядпоследовательных ферментативных процессов передачи атомов водорода (протонов и электронов) от донора к акцептору (сответствующие коферменты) и в конечном итоге на кислород.
Тканевое дыхание можно наблюдать, используя срезы тканей. Если срезы
инкубировать в растворе глюкозы в замкнутом сосуде; то в растворе происходит убыль глюкозы, а в воздухе над раствором - убыль кислорода и увеличение
содержания оксида углерода СО2. Интенсивнссгь тканевого дыхания в разных
тканях неодинакова (табл.13).
157
Таблица 13. Потребление кислорода Q (мкл/ч на 1мг сухого вещества ткани) в
разных тканях
Ткань
Q
Ткань
Q
Сетчатка глаза
31
Легкие
8
Почки
21
Поджелудочная железа
6
Печень
15
Сердечная мышца (в покое)
5
Кора головного мозга
12
Клеточные мышцы (в покое)
3
Надпочечники
10
Кожа
0,8
Русский ботаник и биохимик В.И. Палладии установил, что биологическое окисление имеет две фазы: анаэробную, протекающую без участия
О2 воздуха, и аэробную, в которой участвует кислород воздуха. В ходе 1-й фазы
углерод окисляемых веществ превращается в углекислый газ за счет кислорода
самих окисляемых веществ и кислорода воды. Во время второй фазы вдыхаемый О2 воздуха используется для синтеза воды за счет водорода окисляемых
субстратов.
На основании вышесказанного, превращение, например, глюкозы в конечные продукты катаболизма можно представить уравнениями (а) и (b), которые в сумме дают уравнение (с):
Анаэробная фаза
С6Н12О6 + 6Н2О + 12R → 6СО2 + 12RH2
(а)
Аэробная фаза
12RH2 + 6О2→ 12R + 12Н2О
(b)
____________________________________________________________________
С6Н12О6 + 6О2 + 6СО2 + 6 Н2О + 2850 кДж/моль
(с)
Уравнение (а) отражает суммарный результат сложного метаболического
окисления глюкозы, который включает много реакций и промежуточных продуктов (гликолиз). Некоторые промежуточные продукты являются субстратами
дегидрогеназ: они дегидрируются, причем акцепторами водорода (в уравнениях
они обозначены «R») служат коферменты - переносчики водорода. Уравнение
(b) отражает саму дыхательную цепь - перенос водорода с коферментов на потребляемый из воздуха кислород. Это тоже многостадийный процесс, совершающийся при участии специальной ферментной системы в митохондриях.
158
9.2. Дыхательная цепь
Окисление субстратов в процессе дыхания можно представить как перенос электронов и протонов (т.е. в целом атомов водорода) от органических веществ на кислород:
Водород от первичных доноров, образовавшихся в ходе катаболизма белков, липидов и углеводов, вводится в дыхательную цепь с участием НАД- зависимых и ФАД- зависимых дегидрогеназ (рис. 23, реакции "а" и "b").
Рис. 23. Митохондриальная дыхательная цепь
ФАД- зависимые дегидрогеназы переносят водород на убихинон (Q), а
НАД- зависимые дегидрогеназы - на НАД* (образуется НАД•Н+Н+). Далее с
(НАД•Н+Н+) водород передается тоже на убихинон под действием НАД - дегидрогеназы:
НАД•Н+Н+ + Q → НАД+ + QH2.
НАД - дегидрогеназа представляет собой ФМН - содержащий фермент. В
процессе реакции водород сначала присоединяется к ФМН, соединенному с
ферментом, а затем передается на убихинон.
На стадии образования QH2 сливаются два потока атомов водорода, вводимых в дыхательную цепь НАД- зависимыми дегидрогенвзами и ФАД- зависимыми дегидрогеназами.
Затем в дыхательной цепи пути электронов и протонов расходятся с помощью цитохромов, которые представляют собой гемопротеины (геминовые
159
ферменты). Атом железа в геме цитохромов (на рис 23 они обозначены латинскими буквами b, с1, с, а, а3) может менять валентность, присоединяя или отдавая электрон (Fe2+/Fe3+).
Комплекс цитохромов "b – с1" функционируют как QH2 - дегидрогеназа,
он осуществляет перенос электронов с QH2 на цитохром с
QH2 + 2с(Fe3+)→ Q + 2Н+ + 2c(Fe2+)
Электроны последовательно переходят через атомы железа цитохромов
"b" и "c1", а затем поступают на цитохром «с»; протоны при этом освобождаются в раствор. Коэффициент 2 перед цитохромом "с" обусловлен тем, что с QH2
передаются два электрона, а цитохромы за один цикл переносят по одному
электрону.
Комплекс цитохромов "а-а3" действует как цитохромоксидаза, содержащая помимо гема ионы меди, которые тоже участвуют в переносе электронов,
меняя валентность (Cu2+/Cu+). Этот комплекс цитохромов переносит электроны
с цитохрома «с» на кислород. Электроны последовательно присоединяются к
ионам железа (III) цитохромов "а" и "а3", затем к иону меди (Сu2+) и, наконец,
попадают на кислород:
Кислород воздуха, поступающий в митохондрии из крови, связывается с
ионом железа в геме цитохрома а3 в форме молекулы О2. Затем каждый из атомов молекулы последовательно присоединяет по два электрона и по два протона, превращаясь в молекулу воды.
О2 + 4 е + 4Н+ → 2Н2О
Таким путем через дыхательную цепь атомы водорода пищевых вещств
достигают конечного акцептора - атмосферного кислорода. В организме человека в результате тканевого дыхания образуется 300-400 мг воды за сутки (метаболическая вода).
Локализация в клетках дыхательной цели. Все ферменты тканевого дыхания связаны главным образом с митохондриями. Митохондрии содержатся в
160
цитоплазме клетки и имеют чаше всего вид микроскопических палочек. Для
одного и того же типа клеток число митохондрий приблизительно одинаково и
постоянно; в разных клетках их может быть сотни или тысячи. Внутреннее
пространство митохондрии окружено двумя мембранами, причем наружная гладкая, а внутренняя имеет многочисленные складки. Внутри митохондрий матрикс, состоящий на 50 % из белка. Размер митохондрий 2-3 мкм в длину и
около 1 мкм в ширину, но иногда митохондрии могут иметь иную форму.
В митохондриях сосредоточено большое количество различных ферментов. Ферменты цепи биологического окисления сосредоточены в основном во
внутренней мембране и частично в матриксе.
9.3. Окислительное фосфорилирование
Чрезвычайно важной функцией цепи дыхательных катализаторов во
внутренней мембране митохондрий наряду с переносом атомов водорода от
субстратов на кислород является аккумуляция части освобождающейся энергии
(более 50 %) в фосфатных связях макроэргических соединений и прежде всего
в АТФ.
Процесс сопряжения тканевого дыхания и фосфорилирования получил
название окислительного фосфорилирования. Окислительное фосфорилирование - главный путь синтеза АТФ из АДФ. При этом АДФ фосфорилируется неорганическим фосфатом (фосфорная кислота):
АДФ + Н3РО4+ Энергия → АТФ + НА
Определено, что при переносе одной пары электронов от (НАД•Н+Н+) к
О2 образуется три молекулы АТФ, а от ФАД - две молекулы АТФ. Иначе говоря, в расчете на каждый атом поглощенного кислорода митохондрии образуют
максимум три молекулы АТФ. Отношение количества связанной Н3РО4 к количеству поглощенного кислорода называют коэффициентом фосфорилирования
и обозначают Р/О (Р/О ≤ 3). ФАД-зависимые дегидрогеназы переносят водород
с первичных доноров прямо на убихинон, минуя первый пункт сопряжения. В
этом случае коэффициент Р/О не может быть больше двух. Коэффициент Р/О
161
отражает лишь теоретический максимум синтеза АТФ, так как не вся энергия
электрохимического потенциала используется для синтеза АТФ.
Человек за сутки потребляет из воздуха около 600л (~27 моль) кислорода.
Подавляющая часть кислорода (~90 %) восстанавливается до воды при участии
дыхательных цепей. Если считать что в митохондриях восстанавливается 25
моль О2 (т.е. 50 моль атомарного кислорода), а коэффициент Р/0=2,5, то в митохондриях синтезируется 50·25=125 моль АТФ, то есть около 62 кг АТФ в сутки.
Такое же количество АТФ и распадается за сутки: эта величина характеризует
не общую массу АТФ в организме, а скорость кругооборота АТФ-АДФ. Общее
содержание АТФ в организме невелико - порядка 20-30 г. Каждая молекула
АТФ расщепляется и вновь синтезируется 2,5 тысячи раз в сутки, так что средняя продолжительность ее жизни меньше 1 минуты.
Интенсивность дыхания управляется отношением АТФ/АДФ. Чем меньше это отношение, тем интенсивнее дыхание, чтобы обеспечить синтез АТФ. В
дальнейшем энергия, заключенная в АТФ, расходуется на совершение работы
клетками организма, часть теряется в форме теплоты. Иногда дыхание не связано с окислительным фосфорилированием, в этом случае освобождающаяся
энергия рассеивается в виде теплоты. При напряженной физической работе интенсивность дыхания высока, синтезируется и расходуется много АТФ, становится жарко: теплоты образуется столько, что включаются специальные физиологические механизмы для удаления ее избытка из организма. Наоборот, при
снижении температуры в теле включается механизм дрожания для увеличения
продукции теплоты.
В состоянии покоя: лежачем или сидячем положении - расходование
энергии на внешнюю работу минимально, теплопродукция становится главным
путем расхода энергии организмом. Такое состояние обмена энергией называют основным обменом. Об интенсивности основного обмена можно судить по
величине теплопродукции. Для взрослого человека она равна 350 кДж/ч; это
соответствует мощности 100 - ваттной лампочки. В других состояниях энергетические траты складываются из энергии основного обмена и энергии, затрачи162
ваемой на совершение работы: при пешей прогулке расходуется -450 кДж/ч ,
при тяжелой физической работе - до 2000 кДж /ч. Калорийность пищи должна
быть равна этим тратам; кроме того увеличивается и потребление кислорода.
Таким образом, живая клетка нуждается в АТФ непрерывно, запасов
АТФ в клетке практически не создается. Следовательно, клетка непрерывно
должна получать пищевые вещества и кислород. При голодании в качестве источника энергии используются собственные вещества тканей, энергетический
обмен снижается. Резервов пищевых веществ в организме хватает на несколько
недель голодания, но при лишении кислорода уже через 2-3 минуты наступает
смерть. Гипоэнергетические состояния могут быть связаны с гиповитаминозами (так как в процессах энергетического обмена участвуют коферменты, содержащие витамины B1, В2, В3, B5, биотин и др.), с недостатком О2 в воздухе, с
нарушением кровообращения (нарушение транспорта кислорода вследствие
пороков сердца, кровопотерь, спазмов сосудов, тромбов и др.), с нарушением
функций митохондрий.
163
Глава 10. ОБМЕН УГЛЕВОДОВ
Как уже было сказано в главе 8, углеводы наряду с жирами и белками являются основными веществами, за счет окисления которых организм человека
обеспечивается энергией. Половину необходимой энергии дают углеводы. Распад органических соединений в результате поглощения кислорода (реакций
окисления до СО2 и Н2О) мы назвали биологическим окислением или тканевым
дыханием. При этом, во-первых, в пище человека нет готовых первичных доноров водорода - они образуются в ходе катаболизма пищевых веществ; вовторых, как уже было показано, субстраты не могут окисляться до СО2 и H2О
непосредственно кислородом в токе крови. Перенос электронов и Н+ от субстрата на О2 идет через целый ряд последовательных ферментативных реакций
- дыхательную цепь - локализованных и завершающихся в митохондриях, являющихся как бы основными "энергетическими станциями" для живых организмов (см. главу 9).
Куда-то перенести. В ходе катаболизма пищевых веществ можно выделить два вида путей: специфические пути катаболизма, разные для разных
классов веществ, и общий путь катаболизма, который является единственным
продолжением специфических путей (рис. 24).
164
Рис. 24. Схема катаболизма основных пищевых веществ: 1-5 - специфические пути катаболизма; 6,7 - общий путь катаболизма
Как видно из рис. 24, в результате переваривания пищи образуются всего
два главных вещества: пировиноградная кислота и ацетил-КоА. К общему пути
катаболизма относят окислительное декарбоксилирование пирувата и цикл
Кребса. Именно в общем пути катаболизма образуется основная масса первичных доноров водорода для дыхательной цепи, хотя частично они образуются и
в специфических путях катаболизма. Общий путь катаболизма сопряжен с дыхательной цепью, это две части единого процесса, неотделимые друг от друга.
Рассмотрим более подробно метаболизм углеводов (полисахаридов).
10.1. Переваривание углеводов
Основным источником углеводов организма служат углеводы пищи:
прежде всего крахмал, а также сахароза и лактоза. Под действие ферментов гликозидаз (класс гидролаз) углеводы в пищеварительном тракте, включающем
рот, пищевод, желудок, тонкие и толстые кишки, распадаются на моносахариды. Во рту пища смачивается слюной и механически измельчается; под действием фермента слюны - амилазы (α-1,4-глюкозидазы) начинается переваривание крахмала, но не до конца, так как пища во рту находится недолго и поступает далее через пищевод в желудок, где действие амилазы, активной при
рН 6,2-7,8, угнетается кислотой желудка (рН=1). Секреции желудка не содержат ферментов, гидролизующих углеводы; здесь идет, в основном, гидролиз
белков. Основным местом переваривания углеводов является тонкий кишечник.
Сок поджелудочной железы, содержащий амилазу, и желчь из желчного пузыря
поступают в верхнюю часть тонких кишок (двенадцати перстную кишку),
нейтрализуют пищевую кашицу до рН 6-8 и создают среду, благоприятную для
дальнейшего гидролиза крахмала.
Основным продуктом действия кишечной амилазы на крахмал является
дисахарид мальтоза:
165
Кишечный сок, вырабатываемый железами в стенках кишок, содержит
ферменты - лактазу, сахаразу и мальтазу, которые гидролизуют соответствующие дисахариды до моносахаридов по схемам:
Клетчатка не переваривается ферментами желудочно-кишечного тракта,
так как у человека нет фермента β-гюкозидазы (который есть у животных).
Вместе с тем, присутствие оптимальных количеств клетчатки в пище способствует лучшему пищеварению, так как способствует интенсификации выделения желудочного сока. Кроме того, при исключении клетчатки из пищи нарушается формирование каловых масс.
Избыточное количество лактозы и сахарозы выводится через почки. Образовавшиеся моносахариды: глюкоза, фруктоза, галактоза - активно всасываются через стенки кишок в кровь и по системе воротной вены поступают в печень, где ферменты катализируют их взаимные превращения. Главным моносахаридом, образующимся в результате переваривания пищи, и циркулирующим
в кровеносной системе в значительных количествах, является глюкоза, метаболизм которой мы сейчас и рассмотрим.
10.2. Метаболизм глюкозы
Транспорт глюкозы из крови в клетки зависит от гормона поджелудочной
железы инсулина. При пищеварении концентрация глюкозы
В крови
повышает-
ся (алиментарная гиперглюкоземия), и это стимулирует секрецию гормона в
кровь. Инсулин увеличивает проницаемость плазматической мембраны клеток
для глюкозы, в результате чего ускоряется перенос глюкозы из крови в клетки.
Поступление глюкозы в клетки зависит от инсулина во всех органах, кроме
мозга и печени: скорость поступления глюкозы в клетки этих органов определяется ее концентрацией в крови.
Общая схема метаболизма глюкозы представлена на рис. 25.
166
Рис.25. Схема метаболизма глюкозы
Первым химическим превращением глюкозы в клетках является ее фосфорилирование, в результате взаимодействия с АТФ:
Образующийся глюкозо-6-фосфат не способен проходить через клеточные мембраны - глюкоза как бы «запирается» в клетке в результате фосфорилирования. Возможно и обратное превращение глюкозо-6-фосфата в глюкозу при
действии глюказо-6-фосфатазы:
Глюкозо-6-фосфат + H2O → глюкоза + Н3РО4.
Данный фермент есть в печени, в почках, в клетках эпителия кишечника.
В других органах и тканях его нет, и, следовательно, проникновение глюкозы в
клетки этих органов необратимо. Глюкозо-6-фосфат может обратимо превратиться в глюкозо-1-фосфат при участии фосфоглюкомутазы.
167
Галактоза и фруктоза, поступающие из кишечного тракта, под действием
соответственно галактокиназы и фруктокиназы фосфорилируются по первому
углеродному атому:
Галактоза + АТФ → Галактозо-1-фосфат + АДФ;
Фруктоза + АТФ → Фоктозо-1-фосфат + АДФ.
10.3. Биосинтез гликогена
Избыток глюкозы в организме накапливается в виде гликогена, образующегося в процессе гликогенеза практически во всех клетках организма, но
больше всего в клетках печени и мышц (в печени - от 2 до 6%, в мышцах - от
0,5 до 2%). Синтез гликогена представляет собой многостадийный процесс
(рис.26).
Рис. 26. Схема синтеза гликогена
Донором глюкозных остатков при биосинтезе гликогена служит уридиндифосфатглюкоза (УДФ-глюкоза) – продукт взаимодействия глюкозо-1фосфата
и УТФ:
168
Акцептором глюкозных остатков с УДФ - глюкозы являются олигосахариды из трех или более остатков глюкозы (так называемый "затравочный" глмкоген):
Образующийся УДФ затем вновь фосфорилируется в УТФ за счет АТФ,
и, таким образом, весь цикл превращений глюкозо-1-фосфата начинается сначала.
Глюкоза растворима в воде, а образующийся гликоген образует в воде
коллоидный раствор. В клетке он находится не в растворенном состоянии, а в
виде гранул диаметром 40-200 нм, включающих одну или несколько молекул.
10.4. Распад гликогена
В процессе гликогенеза клетки забирают глюкозу из крови, а печень восполняет недостаток глюкозы посредством гликогенолиза, т.е. расщепления гликогена:
Глюкозный остаток отщепляется в виде глюкозо-1-фосфата, последний
под действием фосфоглюкомутазы превращается в глюкозо-6-фосфат, дальнейшая судьба которого в печени и в мышцах неодинакова. В печени глюкозо6-фосфат при участии глюкозо-6-фосфатазы превращается в глюкозу (сущность
глюкогенеза), глюкоза выходит в кровь и используется в других органах и тканях. В мышцах нет фермента - фосфатазы, поэтому глюкозо-6-фосфат используется здесь же в мышцах, распадаясь аэробным или анаэробным путем. На
рис.27 показаны общие пути синтеза и распада гликогена.
Итак, глюкоза циркулирует в крови и накапливается в печени и мышечных клетках в виде гликогена. Гликоген печени может гидролизоваться для
снабжения крови глюкозой, гликоген мышечных тканей до глюкозы не гидролизуется. Можно считать, что сохранение постоянства концентрации глюкозы в
крови прежде всего, есть результат одновременного протекания двух процес169
сов: поступление глюкозы в кровь из печени (глюкогенез) и потребление ее из
крови тканями, где она используется в основном как энергетический материал.
Рис. 27. Схема метаболизма гликогена:
1-фосфорилаза; 2-фосфоглюкомутаза; З-глюкозо-6-фосфатаза; 4-гексокиназа; 5глюкозо-1-фосфатуридилтрансфераза; 6-гликогенсинтетаза
В тканях, в том числе и в печени, существует два основных пути распада
глюкозы: анаэробный (не требующий присутствия кислорода) и аэробный (для
протекания которого необходим кислород).
10.5. Анаэробный гликолиз
Анаэробный гликолиз - сложный ферментативный процесс последовательных превращений глюкозы, протекающий в тканях человека и животных
без потребления кислорода (рис.28).
Обратимое превращение пировиноградной кислоты в молочную катализируется лактатдегидрогеназой:
Пировиноградная кислота
Молочная кислота
Суммарный результат гликолиза выражается следующим уравнением:
С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ = 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О
Глюкоза
Молочная кислота
Таким образом, чистый выход АТФ при анаэробном гликолизе - 2 моль
АТФ на 1 моль глюкозы. Именно благодаря анаэробному гликолизу организм
человека и животных может определенный период времени осуществлять ряд
физиологических функций в условиях недостаточности кислорода.
170
Данный процесс у бактерий называют молочнокислым брожением: он
лежит в основе приготовления кисломолочных продуктов. Анаэробный гликолиз протекает в цитозоле клеток, где содержатся все необходимые для этого
ферменты, и не нуждается в митохондриальной дыхательной цепи. АТФ в процессе анаэробного гликолиза образуется за счет реакций субстратного фосфорилирования.
У дрожжей в анаэробных условиях происходит сходный процесс - спиртовое брожение, в этом случае пировиноградная кислота декарбоксилируется с
образованием уксусного альдегида, который затем восстанавливается в этиловый спирт:
СН3-СО-СООН → СН3-СНО + СО2;
СН3-СНО + НАД.Н+Н+ → СН3-СН2-ОН + НАД+.
Рис.28. Схема анаэробного гликолиза глюкозы
171
10.6. Аэробный распад глюкозы
Аэробный распад глюкозы включает в себя три стадии:
1) превращение глюкозы до пировиноградной кислоты (пирувата) аэробный гликолиз. Эта часть аналогична рассмотренному выше процессу
анаэробного гликолиза, за исключением его последней стадии (превращение
пирувата в молочную кислоту);
2) общий путь катаболизма;
3) митохондриальная цепь переноса электронов - процесс тканевого дыхания.
Общий путь катаболизма
Общий путь катаболизма сострит из двух этапов.
1-й этап - окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты. Это сложный многостадийный процесс, катализируемый мультиферментной системой - пируватдегидрогеназным комплексом; локализуется в митохондриях (внутренняя мембрана и матрикс) и может быть выражен суммарной общей схемой:
СН3-СО-СООН + HS-KoA + НАД+ → CH3-CO-SKOA + НАД.Н+Н+ + СО2.
пируват
коэнзим А
ацетил-КоА
2-й этап - цикл Кребса (цитратный цикл, или цикл трикарбоновых и дикарбоновых кислот) (рис. 29); локализуется в митохондриях (в матриксе). В
этом цикле ацетильный остаток, входящий в ацетил-КоА, образует ряд первичных доноров водорода. Далее водород при участии дегидрогеназ поступает в
дыхательную цепь. В результате сопряженного действия цитратного цикла и
дыхательной цепи ацетильный остаток окисляется до СО2 и Н2О. Суммарное
уравнение всей последовательности превращений глюкозы в ходе аэробного
распада следующее:
С6Н12О2 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О
Энергетический эффект аэробного распада - синтез 38 молекул АТФ при
расщеплении 1 молекулы глюкозы. Таким образом, в энергетическом отношении полное окисление глюкозы до углекислого газа и воды является более эф172
фективным процессом, чем анаэробный гликолиз. Кислород тормозит анаэробный гликолиз, поэтому в присутствии избытка кислорода наблюдается переход
в растительных и животных тканях от анаэробного гликолиза (брожения) к дыханию (аэробный гликолиз), т.е. переключение клеток на более эффективный и
экономичный путь получения энергии (эффект Пастера). Роль анаэробного гликолиза в обеспечении организма энергией особенно велика при кратковременной интенсивной работе, когда мощности механизма транспорта кислорода к
митохондриям недостаточно для обеспечения аэробного гликолиза. Так, бег в
течение ~ 30 секунд (на 200 м) полностью обеспечивается анаэробным гликолизом, при этом скорость анаэробного гликолиза с учащением дыхания уменьшается, а скорость аэробного распада увеличивается. Через 4-5 мин. бега (1,5 км) половину энергии дает анаэробный, половину аэробный процесс. Через 30 мин.
(10 км бега) - энергия поставляется почти целиком аэробным процессом.
Эритроциты вообще не имеют митохондрий, и их потребность в АТФ
полностью удовлетворяется за счет анаэробного гликолиза.
Аэробный распад глюкозы в мозге
Аэробный распад глюкозы может происходить во всех органах и тканях.
Но многие органы используют и другие способы синтеза АТФ. В наибольшей
зависимости от аэробного распада глюкозы находится мозг. Он расходует 100 г
глюкозы в сутки. В состоянии основного обмена около 20% всего поступающего в организм кислорода потребляется мозгом, хотя по массе мозг составляет
всего 2% от массы тела. Поэтому как недостаток глюкозы, так и недостаток
кислорода приводят прежде всего к нарушению деятельности ЦНС, сопровождающемуся головокружением, потерей сознания, судорогами.
173
Рис.29. Цикл Кребса
174
10.7. Пентозофосфатный цикл
Кроме гликолиза и гликогенолиза, которые являются источниками образования энергии соответственно из глюкозы (или других моносахаридов) и гликогена при распаде их до лактата (в анаэробных условиях) или до СО 2 и Н2О (в
аэробных условиях), существует еще один путь распада углеводов в тканях, получивший название пентозофосфатного пути.
Пентозофосфатный путь обеспечивает клетки гидрированным НАДФ,
использующимся для восстановительных синтезов (синтез жирных кислот, холестерина и других стероидов, обезвреживание лекарств, NH3, ядов), и пентозами для синтеза нуклеотидов.
Таким образом, гликолиз и гликогенолиз выполняют энергетическую
функцию, а пентозофосфатный процесс - анаболические функции.
В пентозофосфатном пути выделяют две части: окислительный и неокислительный пути образования пентоз.
Окислительный путь включает две реакции дегидрирования, в которых
акцептором водорода служит НАДФ. Во второй из этих реакций одновременно
происходит декарбоксилирование - углеродная цепь укорачивается на один
атом углерода и получаются пентозы:
Глюкозо-6-фосфат
Глюконолактон-6-фосфат
175
6-фосфоглюконат
Рибулозо-5-фосфат
Рибозо-5фосфат
Неокислительный путь значительно сложнее. В этом пути нет реакций
дегидрирования, то есть он служит только для синтеза пентоз из глюкозы или,
наоборот, для превращения пентоз в глюкозу. Схему неокислительного пути в
общем можно представить следующим образом:
Фруктозо-6-фосфат → глицеральдегид-3-фосфат → рибулозо-5-фосфат→
→рибозо-5-фосфат
При этом из пяти исходных молекул фруктозо-6-фосфата образуется
шесть молекул рибозо-5-фосфата. Так как фруктозо-6-фосфат, в свою очередь,
образуется из глюкозы, то можно сказать, что в этом процессе пять молекул
глюкозы превращаются в шесть молекул пентозы без каких-либо потерь вещества. Все реакции неокислительного пути образования пентоз обратимы. Таким
образом, пентозы, образующиеся в разных процессах, могут использоваться для
синтеза глюкозы (и вообще гексоз). Окислительный и неокислительный пути
образования пентоз вместе составляют циклический процесс, называемый пентозофосфатным циклом:
Пентозофосфатный путь превращения глюкозы особенно активно функционирует в органах, где синтезируется много липидов: в печени, жировой ткани, молочных железах, коре надпочечников. Это объясняется тем, что при синтезе липидов происходят реакции гидрирования, в которых донором водорода
служит НАДФ.Н+Н +.
176
Следует отметить, что некоторые промежуточные продукты пентозофосфатного цикла могут включаться в аэробный и анаэробный пути распада глюкозы и служить источниками энергии для синтеза АТФ.
10.8. Биосинтез глюкозы (глюконеогенез)
Синтез глюкозы из неуглеводных источников называется глюконеогенезом. Глюконеогенез протекает по тому же пути, что и анаэробный гликолиз, но
в обратном направлении. Однако три реакции гликолиза необратимы, и на этих
стадиях реакции глюконеогенеза отличаются от реакций гликолиза (рис.30,
стадии I, II, III). На каждую молекулу лактата при глюконеогенезе расходуется
две молекулы АТФ и одна молекула ГТФ. Поскольку для образования глюкозы
необходимо две молекулы лактата, суммарный процесс глюконеогенеза описывается следующим уравнением:
2лактат +4АТФ + 2ГТФ + 6Н2О → глюкоза + 4АДФ + 2ГДФ + 6Н3РО4.
Из клеток, в которых происходит гликолиз, образующаяся из пирувата
молочная кислота поступает в кровь, с помощью которой транспортируется в
печень, где превращается в пируват. Пируват в печени частично окисляется, частично превращается в глюкозу - глюкозо-лактатный цикл (рис.31). Образовавшаяся глюкоза может вновь поступать в мышцы и там превращаться в пируват и затем в молочную кислоту (лактат). Часть пирувата в мышцах путем
трансаминирования превращается в аланин, который транспортируется в печень, и здесь снова образуется пируват - глюкозоаланиновый цикл.
Глюкоза может синтезироваться не только из лактата, но и из других веществ, способных превращаться в какой-либо из промежуточных продуктов
глюконеогенеза - в пируват, оксалоацетат, глицеральдегидфосфат. К таковым
относятся глицерин и аминокислоты. В организме взрослого человека за сутки
может синтезироваться около 80 г глюкозы, главным образом в печени, почках
и слизистой кишечника. Главными исходными веществами глюконеогенеза являются все белковые аминокислоты, кроме лейцина. Поэтому потенциальная
177
возможность выдержать определенный срок голодания, не нарушая снабжение
глюкозой мозга, определяется прежде всего резервами белков в организме.
Рис.30. Схема биосинтеза глюкозы
Рис.31. Глюкозолактатный и глюкозоаланиновый циклы
178
10.10. Регуляция обмена углеводов
Наибольшее значение для организма имеет поддержание на постоянном
уровне глюкозы в крови, так как она является главным энергетическим субстратом для мозга. В норме содержание глюкозы в крови 3,3-4,0 ммоль/л. Повышение ее содержания в крови до 9-10 ммоль/л (гипергликемия) приводит к
глюкозурии (выделение с мочой, анализ мочи дает повышенный сахар). Снижение содержания глюкозы в крови до 2,0-1,5 ммоль/л (гипогликемия) может
привести к обморочному состоянию и возникновению судорог. Уровень глюкозы в крови зависит от соотношения активности процессов, приводящих к его
повышению или понижению. Эти процессы перечислены ниже.
Процессы, ведущие к гипергликемии:
1) всасывание глюкозы из кишечника (пищевая гипергликемия, проходящая через 1-2 часа);
2) распад гликогена до глюкозы (как правило, в печени);
3) глюконеогенез (в печени и почках). Процессы, вызывающие гипогликемию:
1) транспорт глюкозы из крови в ткани и окисление ее до СО2 и Н2О;
2) синтез из глюкозы гликогена в печени и скелетных мышцах;
3) образование из глюкозы триацилглицеринов в жировой ткани (см. главу 11).
Уровень глюкозы в крови находится под контролем нервно-гормональной
регуляции (принцип "плюс-минус" межгормональных взаимоотношений - см.
главу 16).
Единственным гормоном, снижающим содержание глюкозы в крови, является инсулин. Он стимулирует все три процесса усвоения глюкозы (транспорт внутрь клеток и ее распад, синтез гликогена, синтез жиров из глюкозы).
Гормоны: адреналин, глюкагон, тироксин, трийодтиронин, соматотропин - стимулируют распад гликогена, глюкокортикоиды (усиливают глюконеогенез) повышают уровень глюкозы в крови.
179
Глава 11. ОБМЕН ЛИПИДОВ
Среди липидов пищевых веществ в наибольшем количестве представлены жиры (триацилглицерины) - около 99%.
Суточная потребность человеческого организма в жирах 50-100 граммов.
Жиры так же, как и углеводы, служат формой запасания энергии.
11.1. Переваривание липидов
Липиды не изменяются под действием слюны. В результате механического измельчения в ротовой полости образуется тонкодиспергированная в слюне смесь липидов, которая поступает в желудок, где рН=1-1,5 за счет
образования НСl, а оптимальное значение рН для желудочной липазы, расщепляющей жиры, равно 5,5-7,5. Липаза гидролизует только эмульгированные жиры, но в желудке нет условий для эмульгирования. Переваривание жиров в желудке происходит только у грудных детей, имеющих рН в желудке примерно
5,0.
В желудке взрослых людей происходит лишь частичное разрушение жиров, появляются свободные жирные кислоты, которые уже в желудке способствуют эмульгированию жиров. После этого пищевая кашица попадает в двенадцатиперстную кишку, куда одновременно из желчного пузыря поступают соли
желчных кислот, эмульгирующие жиры. Кроме того, происходит нейтрализация жировой кашицы, содержащей НСI из желудка, бикарбонатами поджелудочного и кишечного сока. При этом выделяется СО2, способствующий хорошему перемешиванию пищевой кашицы с пищеварительными соками. Эмульгированные желчными солями жиры гидролизуются в двенадцатиперстной
кишке и в тонких кишках под действием липазы поджелудочной железы при
рН 5,5-7,5 по следующей схеме:
Триглицерид
Диглицерид
180
Моноглицерид
Глицерин
В результате образуется смесь глицерина, различных моно- и диглицеридов, жирных кислот. Так как жиры нерастворимы в воде, а липаза нерастворима
в жирах, то гидролиз происходит на поверхности раздела фаз и скорость его зависит от площади этой поверхности.
Фосфоглицериды клеточных мембран гидролизуются с помощью фосфолипаз, локализованных преимущественно в лизосомах, а также и в других органоидах клетки. Продуктами гидролиза фосфоглицеридов являются: глицерин,
жирные кислоты, азотистые спирты, фосфорная кислота.
Имеются специфические ферменты гидролиза сфинголипидов и гликолипидов, которые участвуют в их обновлении. Холестерин же почти не изменяется, а лишь эмульгируется желчными солями перед всасыванием в кровь:
Переваривание липидов завершается через 4-5 часов после приема пищи.
Глицерин и жирные кислоты с коротким радикалом проходят через кишечные стенки и попадают в кровь. Нерастворимые в воде глицериды и жирные кислоты с длинной цепью сначала эмульгируются желчью и только после
этого всасываются через лимфокапилляры.
В клетках слизистых оболочек кишечника происходит частично ресинтез
новых, специфичных для данного организма, триглицеридов из продуктов гидролиза пищевых жиров. Вновь синтезированные жиры также попадают в лимфокапилляры. Лимфокапилляры вливаются в более крупные лимфатические
сосуды, которые связаны с общей системой кровообращения.
Таким образом, липиды поступают в клетки тканей или в печень, где
подвергаются различным превращениям или откладываются в жир (в жировой
ткани). В печени происходит полный гидролиз глицеридов; жирные кислоты
также подвергаются самым различным превращениям: радикал их может уко181
рачиваться или удлиняться, возможны взаимопереходы насыщенных и ненасыщенных кислот, образование кетонов, окисление кислот и др.
Известно, что гидролиз внутриклеточных липидов не приводит к накапливанию глицерина и жирных кислот. Это говорит о том, что скорость гидролиза сбалансирована со скоростью их окисления внутри клетки. В жировой
ткани образующийся в результате гидролиза глицерин и жирные кислоты не
подвергаются окислению, а поступают в кровь, из которой потребляются другими органами.
11.2. Метаболизм глицерина
Обмен глицерина тесно связан с гликолизом, в который вовлекаются метаболиты глицерина по следующей схеме:
Глицерин
Фосфоглицерат
Диоксиацетонфосфат
Превращение одной молекулы глицерина дает одну молекулу АТФ в
анаэробных условиях и 19 молекул АТФ в аэробных. Глицерин как энергетический материал используется практически всеми органами и тканями.
11.3. Метаболизм жирных кислот
В триацилглицеринах (жирах) жировой ткани человека в основном содержатся следующие жирные кислоты: миристиновая (3%), пальмитиновая
(20%), стеариновая (5%), пальмитоолеиновая (5%), олеиновая (55%), линолевая
(10%), арахидоновая (0,2%). В значительных количествах эти жирные кислоты
содержатся и в других липидах, но жирнокислотный состав гликолипидов и
182
фосфолипидов клеточных мембран гораздо более разнообразен. Особенно много характерных жирных кислот найдено в сложных липидах нервных клеток.
Источниками жирных кислот организма служат липиды пищи (главным
образом жиры) и синтез жирных кислот из углеводов.
Расходуются жирные кислоты в основном по трем направлениям (рис.33):
- включаются в состав резервных жиров;
- включаются в состав структурных липидов;
- окисляются до углекислого газа и воды с использованием выделяющейся при этом энергии для синтеза АТФ.
Рис. 33. Метаболизм жирных кислот
Все превращения сложных жирных кислот в клетках начинаются с образования Ацил-КоА (активация жирных кислот):
СН3-(СН2)n-СН2-СН2-СООН + HSKoA + АТФ
Жирная кислота
Коэнзим А
О
||
СН3-(СН2)n-СН2-СН2-С ~SKoA + АМФ + Н4Р2О7
Ацил-КоА
Содержащаяся в Ацил-КоА связь C~S является макроэргической, поэтому данный процесс и рассматривают как активацию кислоты.
Дальнейший катаболизм жирных кислот можно разделить на три стадии:
183
1) β-окисление - специфический для жирных кислот путь метаболизма,
завершающийся превращением молекулы жирной кислоты в несколько молекул Ацетил-КоА;
2) цикл Кребса, в котором окисляются ацетильные остатки;
3) Митохондриальная дыхательная цепь.
Процесс активации жирных кислот протекает в цитоплазме, а βокисление активированных кислот происходит в матриксе митохондрий при
участии мультиферментного комплекса. Мембрана митохондрий непроницаема
для жирных кислот; их перенос происходит при участии карнитина:
При действии карнитин-ацилтрансферазы к спиртовой группе карнитина
присоединяется ацильный остаток жирной кислоты (сложно-эфирной связью):
Ацилкартинин
Образующийся ацилкарнитин может диффундировать в митохондрию,
где происходит обратная реакция с образованием Ацил-КоА.
В матриксе митохондрий происходит β-окисление поступившего АцилКоА. При β-окислении окисляется группа –СН2 - в β-положении по отношению
к группе -СО-:
Ацил-КоА
(Ацил-КоА)
Ацетил-КоА
184
Новый Ацил-КоА вновь подвергается β-окислению. Многократное повторение этого процесса приводит к полному распаду жирной кислоты до Ацетил-КоА. Напиример, молекула пальмитиновой кислоты, содержащая 16 атомов углерода, превращаясь в 8 молекул Ацетил-КоА за 7 циклов β-окисления:
Пальмитин-КоА
Окисление кислот с нечетным числом атомов углерода и ненасыщенных
кислот имеет свои особенности.
В случае кислот с нечетным количеством атомов углерода наряду с
обычными продуктами окисления образуется одна молекула пропионил-КоА
(CH3-CH2-CO~SKoA) на молекулу окисленной жирной кислоты. ПропионилКоА окисляется по особому пути:
Пропионил-КоА
Метилмалонил-КоА Сукцинил-КоА
Образующийся сукцинил-КоА поступает в цикл Кребса.
Особенности окисления ненасыщенных жирных кислот определяются
положением и числом двойных связей в их молекулах. Окисление идет обычным путем, если каждая двойная связь имеет трансконфигурацию. В противном
случае в реакциях участвует дополнительный фермент, изменяющий конфигурацию групп атомов относительно двойной связи из цис- в транс-, далее окисление идет так же, как у насыщенных кислот. Следует отметить, что скорость
окисления ненасыщенных жирных кислот выше, чем насыщенных. Например,
по сравнению с окислением стеариновой кислоты скорость окисления олеиновой выше в 11 раз, линолевой - в 114, линоленовой - в 170 раз, а арахидоновой почти в 200 раз.
185
Энергетическая ценность жирной кислоты с четным числом атомов углерода рассчитывается следующим образом. Если жирная кислота содержит 2n
атомов углерода, то при полном ее окислении образуется n молекул ацетилКоА и по ( n-1 ) молекул ФАД(Н2) и (НАД.Н + Н+). Окисление ФАД(Н2) дает 2
АТФ, а (НАД.Н+Н+)-3 АТФ, то есть вместе - 5 АТФ или, в общем виде, 5(n-1)
АТФ. Полное сгорание одной молекулы ацетил-КоА дает 12 АТФ, значит n молекул обеспечивают образование 12n АТФ. Учитывая, что 1 АТФ тратится на
активирование кислоты, полный баланс АТФ при окислении жирной кислоты с
четным числом атомов углерода можно выразить формулой:
5(n-l)+(12n-l)=(17n-6) молекул АТФ,
где n=m/2 (m- число атомов углерода в кислоте).
Например, полный выход АТФ при окислении одной молекулы пальмитиновой кислоты составляет 130 молекул.
Энергетическая ценность жирных кислот выше, чем, например, глюкозы.
Так, полное окисление капроновой кислоты, имеющей то же число атомов углерода, что и глюкоза, дает 45 молекул АТФ (глюкоза дает 38 молекул АТФ).
Однако для сгорания в цикле Кребса образующихся при β-окислении молекул
ацетил-КоА требуется достаточное количество оксалоацетата. В этом отношении углеводы имеют преимущество перед жирными кислотами, так как при их
распаде образуется пируват, являющийся источником образования не только
ацетил-КоА, но и оксалоацетата, то есть облегчается превращение ацетил-КоА
в цикле Кребса. Не случайно в биохимической литературе бытовало выражение: "жиры сгорают в пламени углеводов", поскольку образующийся уже в гликолизе АТФ может использоваться для активирования жирных кислот в цитоплазме, а образующийся из пирувата оксалоацетат обеспечивает включение
ацетил-КоА в цикл Кребса.
β-Окисление жирных кислот происходит во многих тканях, но особенно
значительна роль этого источника энергии в скелетных мышцах при большой
физической нагрузке, а также в сердечной мышце и в почках. Сердечная мышца
186
около 70% поглощаемого кислорода использует для окисления жирных кислот,
а нервная ткань, например, вообще не использует этот источник энергии.
Часть Ацетил-КоА минует цикл Кребса и расходуется на синтез стероидов, прежде всего холестерина, и жирных кислот в цитоплазме клеток различных органов и тканей. Холестерин в наибольшей степени синтезируется в печени (80%), а также в стенках тонкого кишечника (10%)и в клетках кожи (5%). За
сутки образуется 1 г холестерина в организме, тогда как с пищей в организм
поступает 0,1-0,3 г холестерина, всего 8 тканях организма холестерина приблизительно 140 г, на втором месте группа стероидов желчных кислот - приблизительно 5 г.
11.4. Биосинтез жиров
Биосинтез жиров осуществляется наиболее активно в печени и менее активно - в жировой ткани. Глюкоза является строительным материалом для синтеза жирных кислот и глицерина, которые затем превращаются в триглицериды
(рис.34). Общая схема образования жиров из глюкозы изображена ниже:
Рис. 34. Общая схема образования жиров из глюкозы
Синтез триглицеридов (жиров) из α-фосфоглицерата и Ацил-КоА осуществляется в цитозоле клеток (рис.35).
187
Фосфатидная кислота
Триглицерид
11.5. Регуляция обмена липидов
Интенсивность обмена липидов зависит от поступления липидов с пищей
и от нервно-гормональной регуляции. Большая часть пищевых и синтезируемых в печени жиров депонируется в жировой ткани. У человека нормальной
упитанности жиры составляют 15% от массы. При полном голодании этот запас
расходуется за 5-7 недель. При нормальном питании и нормальном обмене веществ жиры постоянно обновляются, но их количество в организме не меняется, то есть скорости депонирования и мобилизации жира равны.
При избыточном поступлении углеводов и жиров, несоответствующем
потребностям, и при гиподинамии возможно ожирение и избыточное образование холестерина. Экзогенный холестерин тормозит синтез эндогенного холестерина.
Большую роль в обмене липидов в организме играет соотношение различных липидов в пище. Так, растительные масла: кукурузное, хлопковое, под188
солнечное, содержащие много фосфолипидов и ненасыщенных кислот, - препятствуют накоплению и отложению холестерина в сосудах и других тканях,
способствуют выведению его из организма.
Ненасыщенные кислоты пищи способствуют синтезу эндогенных фосфолипидов и ускоряют процессы окисления в митохондриях и тем самым регулируют избыточное отложение триглицеридов.
Нервно-гормональная регуляция (см. главу 16) липидного обмена заключается во влиянии на мобилизацию и синтез триглицеридов в жировой ткани.
Все регуляторы, способствующие переходу неактивной (нефосфорилированной) липазы в активную (фосфорилированную), стимулируют липолиз и выход
жирных кислот в кровь. Стимуляторами этого процесса являются следующие
гормоны: адреналин и норадреналин (надпочечники), глюкагон (поджелудочная железа), тироксин и трийодтиронин (щитовидная железа), соматотропин гормон роста и кортикотропин (гипофиз).
Инсулин (поджелудочная железа) и простагландины, наоборот, угнетают
липолиз жиров и способствуют отложению липидов в жировой ткани и образованию холестерина. Гормоны щитовидной железы способствуют окислению
боковой цепи холестерина и выведению его с желчью в кишечник.
Стресс, физическая нагрузка, голодание, охлаждение стимулируют секрецию адреналина, норадреналина и угнетают секрецию инсулина, вызывая тем
самым усиление липолиза и похудание.
189
Глава 12. ОБМЕН НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
12.1. Пути распада РНК и ДНК
Нуклеиновые кислоты входят в состав нуклеопротеидов, которые распадаются (перевариваются) в желудочно-кишечном тракте. Под влиянием ферментов желудка и частично соляной кислоты нуклеопротеиды пищи разлагаются на полипептиды и нуклеиновое кислоты. Полипептиды в кишечнике подвергаются гидролитическому расщеплению до свободных аминокислот.
Нуклеиновые кислоты распадаются под действием ферментов сока поджелудочной железы - нуклеаз, а именно рибонуклеаз и дезоксирибонуклеаз.
Различают эндонуклеазы и экзоиуклеазы.
Эндонуклеазы разрывают внутренние межнуклеотидные связи в молекулах ДНК и РНК, вызывая деполимеризацию нуклеиновых кислот с образованием олигонуклеотидов. Экзонуклеазы катализируют отщепление концевых мононуклеотидов от ДНК и РНК или от олигонуклеотидов.
Эндонуклеазы и экзонуклеазы относятся к гидролазам, т. е. вызывают
гидролитическое расщепление фосфодиэфирных межмолекулярных связей.
Помимо гидролаз имеются нуклеазы класса трансфераз, катализирующие распад нуклеиновых кислот с одновременным трансформированием молекулы.
Большинство рибонуклеаз (РНК-азы) - трансферазы, а именно фосфотрансферазы - они ускоряют реакцию перекоса остатка фосфорной кислоты от
5-го углеродного атома рибозы одного мононуклеотида ко второму углеродному атому рибозы соседнего мононуклеотида. В результате межнуклеотидная
связь разрывается и образуется фосфодиэфирная связь между вторым и третьим
углеродными атомами рибозы одного и того же мононуклеотида.
В результате действия различных рибонуклеаз молекулы РНК в конечном
итоге распадаются до мононуклеотидов, содержащих циклически присоединенную фосфатную группировку, которая гидролизуется по схеме:
190
Рибонуклеозид-3´-фосфат
Кроме того, если гидролиз катализируют 5'-нуклеазы, могут образоваться
и рибонуклеозид - 5' - фосфаты.
Дезоксирибонуклеазы (ДНК - азы) относят, как правило, к гидролазам.
Различают два типа ДНК - аз:
1) ускоряющие реакцию гидролиза ДНК до олигонуклеотидов:
2) ускоряющие гидролиз ДНК и олигодезоксирибонуклеотидов до дезоксирибонуклеозид - 3'(или 5´) - фосфатов:
Таким образом, в результате последовательного действия разнообразных
экзо- и эндонуклеаз РНК и ДНК распадаются до рибо- или дезоксирибонуклеозид - 3'(или 5´)-фосфатов, подвергающихся следующим превращениям.
1-я стадия - распад под действием соответствующих 3'- или 5'-нуклеаз с
образованием фосфорной кислоты и нуклеозида, например:
Аденозин-5'-монофосфат
(АМФ, мононуклеотид)
Аденозин (нуклеозид)
191
2-я стадия - перенос остатка рибозы или дезоксирибозы от нуклеозида на
свободную фосфорную кислоту с образованием рибозо-(или дезоксирибозо) - 1фосфата и свободного азотистого основания, например:
Уридин
Рибозо-1-фосфат
Урацил
Эта реакция катализируется специфическими для каждого вида нуклеозидов нуклеотрансферазами.
Далее рибозо-1-фосфат участвует в обмене углеводов. Пуриновые и пиримидиновые основания распадаются до простейших азотсодержащих продуктов, которые выводятся из организма либо откладываются в нем.
12.2. Распад пуриновых и пиримидиновых оснований
1-й этап - дезаминирование под действием специфических аминогидролаз
азотистых оснований, имеющих аминогруппы, а также нуклеотидов и нуклеозидов, в состав которых эти основания входят, например:
Аденин
Гипоксантин
Гуанин
Ксантин
192
Цитозин
Урацил
Аденозин
Инозин
Дезаминированные нуклеозиды и нуклеотиды распадаются дальше, освобождая в конечном итоге гипоксантин, ксантин или урацил.
2-й этап - дальнейшие превращения дезаминированных пуриновых и пиримидиновых оснований.
Дезаминированные пуриновые основания (гипоксантин и ксантин) окисляются в мочевую кислоту:
Гипоксантин
Ксантин
Мочевая кислота
Мочевая кислота у человека и ряда животных (приматы, птицы и некоторые рептилии) является конечным продуктом распада пуриновых оснований и
выводится из организма. Образование мочевой кислоты происходит главным
образом в печени. Мочевая кислота - основной продукт распада нуклеотидов у
человека. В организме ежесуточно образуется 0,5-1 г мочевой кислоты, которая
выводится через почки. В крови здорового человека содержится 3-7 мг/дл мочевой кислоты. Хроническое повышение концентрации мочевой кислоты (гиперурикемия) часто приводит к развитию подагры - отложение малорастворимой мочевой кислоты (и ее солей уратов) а виде кристаллов в крови и в тканях.
193
Это заболевание носит наследственный характер и связано с дефектом фермента, катализирующего реакцию превращения гипоксантина и гуанина в инозиновую кислоту - ИМФ (см. раздел 12.3 "Биосинтез нуклеотидов") и ГМФ соответственно. Вследствие этого гипоксантин и гуанин не используются повторно для
синтеза нуклеотидов, а целиком превращаются в мочевую кислоту, что и ведет
к гиперурикемии.
У большинства животных и растений есть ферменты, вызывающие дальнейший распад мочевой кислоты до мочевины (1) и глиоксалевой кислоты (2):
(1)
(2)
Дезаминированные пиримидиновые основания, в отличие от пуриновых,
восстанавливаются под действием специфических ферментов; при этом донором атомов водорода служит восстановленная форма никотинамидадениндинуклеотида (НАД.Н+Н+) (см главу 7).
Карбаминовая кислота
β-аланин
β-изомасляная кислота
Карбаминовая кислота далее либо используется для синтеза мочевины,
либо распадается до углекислого газа и аммиака:
H2N-COOH → NH3 + СО2.
Как правило, продукты распада нуклеиновых кислот выводятся из организма. Всасываются преимущественно нуклеозиды, и в таком виде часть азотистых оснований может быть использована для синтеза нуклеиновых кислот организма. Если же происходит распад нуклеозидов до свободных оснований, то
гуанин не используется для синтетических целей, а остальные в незначительном количестве могут участвовать в синтезе нуклеиновых кислот.
194
12.3. Биосинтез нуклеотидов
Синтез нуклеиновых кислот определяется скоростью синтеза мононуклеотидов, при этом синтез последних зависит от наличия всех их трех компонентов. Пентозы являются продуктами обмена глюкозы, фосфорная кислота в
достаточном количестве поступает с пищей. Лимитирующим фактором является биосинтез азотистых оснований.
Биосинтез пурииовых нуклеотидов
Методом меченых атомов в 30-е годы двадцатого века доказано, что пуриновые основания, образующиеся в процессе превращения, нуклеиновых кислот в кишечнике, в дальнейшем практически не используются. Поэтому пуриновая структура образуется из мелких фрагментов, поставляемых из низкомолекулярных соединений. Можно выделить следующие стадии синтеза пуриновых нуклеотидов:
1-я стадия - синтез β-5-фосфорибозил-1-амина на основе продукта пентозофосфатного цикла α-рибозо-5-фосфата:
α-рибозо-5-фосфат
α-рибозо-5-фосфорибозил-1-дифосфат
(ФРДФ)
β-5-фосфорибозил-1-амин
2-я стадия - серия реакций, приводящая к формированию пуринового
цикла и образованию инозиновой кислоты (ИМФ), пуриновая часть которой
представлена гипоксантином:
195
Инозинмонофосфат (ИМФ, инозиновая кислота)
3-я стадия - синтез на основе ИМФ пуриновых нуклеотидов - АМФ и
ГМФ, которые затем под действием соответствующих ферментов могут превращаться в нуклеозидди- и три фосфаты:
Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов
Пиримидиновое ядро пиримидиновых нуклеотидов так же, как и пуриновый цикл, образуется из низкомолекулярных предшественников. В результате
ряда последовательных реакций синтезируется уридиловая кислота (УМФ), которая, в свою очередь, является предшественником других пиримидиновых
нуклеотидов - цитидиловых и тимидитиловых. Биосинтез уридиловой кислоты
можно разделить на две стадии.
На первой стадии образуется карбомоилфосфат из глутамина и СО2 при
действии цитоплазматической карбамоилфосфатсинтетазы; на второй стадии
карбамоилфосфат реагирует с аспартатом и в конечном итоге образуется уридиловая кислота (УМФ):
196
карбамоилфосфат
Дигидрооротовая
кислота
Оротовая кислота
Уридиновая кислота
Превращение УМФ в УДФ и УТФ осуществляется, как и в случае пуриновых нуклеотидов, путем фосфорилирования:
УМФ + АТФ ↔ УДФ + АДФ;
УДФ + АТФ ↔ УТФ + АДФ.
Предшественником цитидиловых нуклеотидов является УТФ, который превращается в ЦТФ по схеме
УТФ + GIn + АТФ
ЦТФ + Glu + АДФ + Н3Р04
Биосинтез дезоксирибонуклеотидов
Дезоксирибонуклеотиды - предшественники ДНК - образуются из рибонуклеотидов путем восстановления гидроксогруппы у второго углеродного
атома рибозы при участии фермента - рибонуклеозидредуктазы. Субстратами
фермента являются дифосфаты нуклеотидов, донором водорода служит низкомолекулярный белок тиоредоксин, содержащий две свободные SH - группы на
108 аминокислотных остатков:
197
Рибонуклеозиддифосфат
Дезоксирибонуклеозиддифосфат
В состав дезоксирибонуклеотидов вместо уридиловых нуклеотидов входят тимидиловые. Тимидиловая кислота (дТМФ) образуется из дезоксиуридиловой кислоты (дУМФ) путем метилирования урацила.
Непосредственные предшественники ДНК: дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ
образуются путем фосфорилирования дезоксирибонуклеозид - 5´-дифосфатов с
помощью АТФ:
АТФ + дАДФ → АДФ + дАТФ;
АТФ + дГДФ → АДФ + дГТФ;
АТФ + дЦДФ →АДФ + дЦТФ;
АТФ + дТДФ → АДФ + дТТФ.
дТТФ получается также по схеме:
дУДФ → дУТФ → дУМФ → дТМФ → дТДФ → дТТФ.
Синтез дезоксирибонуклеотидов в покоящихся клетках практически не происходит и активируется на стадиях, предшествующих клеточному делению.
12.4. Биосинтез нуклеиновых кислот
Первичную структуру важнейших биополимеров - белков и нуклеиновых
кислот можно сравнить с буквенной записью: и в том, и в другом случае имеется не произвольное, а строго определенное, имеющее смысл, чередование
элементов - мономеров или «букв». На этом основании нуклеиновые кислоты и
белки называют информационными молекулами.
198
До сих пор не раскрыты в деталях молекулярные механизмы передачи
генетической информации, записанной (закодированной) в нуклеотидной последовательности ДНК.
Но однозначно, что при биосинтезе новых молекул нуклеиновых кислот и
белков носителями информационной программы являются нуклеиновые кислоты; в этой роли их называют матрицами. Матрица в ходе матричного синтеза не
расходуется и может использоваться многократно; в этом отношении она сходна с катализатором.
Различают три основных этапа реализации генетической информации
(три основных типа матричных биосинтезов).
1-й этап - биосинтез ДНК (репликация) с использованием в качестве матрицы уже существующих молекул ДНК. Репликация ДНК является ключевой
функцией делящейся клетки.
2-й этап - транскрипция - генетическая информация, записанная в первичной структуре ДНК, переписывается в нуклеотидную последовательность
РНК (т. е. биосинтез РНК на матрице ДНК).
3-й этап - трансляция - генетическая информация, содержащаяся в нуклеотидной
последовательности
молекулы
мРНК,
переводится
в
ами-
нокислотную, последовательность белка (биосинтез белков на матрице мРНК).
В данном разделе рассматриваются первые два этапа, третий этап будет
рассмотрен в главе 13 «Обмен белков».
Биосинтез ДНК (репликация)
Для биосинтеза ДНК прежде всего необходимо наличие всех четырех видов дезоксирибонуклеозидтрифосфатов (дАТФ, дГТФ, дЦТФ и дТТФ). Кроме
того, известно, что для любого синтеза полимерной органической молекулы,
осуществляемого в живой или неживой природе, требуется большое количество
энергий. Источником энергии в реакциях полимеризации мононуклеотидов
служит энергия, освобождаемая всеми четырьмя типами дезоксирибонуклеозидтрифосфатов, участвующих в синтезе ДНК. Образующийся пирофосфат
(Н4Р2О7) под действием пирофосфатазы также расщепляется на две молекулы
199
ортофосфата (Н3РО4), давая дополнительную энергию для биосинтеза ДНК, который требует кроме того наличия специфических ферментов.
Ферментная система ДНК до конца не расшифрована, она включает более
20 ферментов и белковых факторов, объединенных в единую ДНК - репликационную систему.
Общая схема биосинтеза ДНК может быть представлена в следующем
виде:
m(дАТФ + дТГФ) + n(дГТФ +дЦТФ)
ДНК +(m+n) + Н4Р2О7
Химический смысл полимеризации состоит в том, что 3'-гидроксильная
группа матрицы атакует α - атом фосфора соответствующего нуклеозидтрифосфата (определяемого матрицей по комплементарному механизму); при этом
происходит отщепление остатка пирофосфата. Далее 3'-гидроксил вновь образованного мононуклеотида атакует α-атом фосфора следующего нуклеозидтрифосфата, и таким путем продолжается процесс полимеризации, идущий в
направлении 5'→3', в противоположность матрице, оканчивающейся 5'фосфатом. Реакция требует присутствия в качестве матрицы одноцепочной
ДНК или в крайнем случае небольших полинуклеотидов.
В настоящее время механизм репликации ДНК представляется следующим образом. Первоначально с помощью ферментов происходит раскручивание двойной спирали ДНК, в результате чего образуется репликативная вилка цепи ДНК расходятся в стороны. Затем при участии ДНК-полимеразы (репликазы) образуются новые полинуклеотидные цепи, комплементарные исходным
матричным; в результате получаются две двухцепочечные молекулы ДНК, полностью идентичные исходной молекуле:
200
Такой способ репликации: получил название полуконсервативного (в
принципе возможен и другой механизм - консервативный, при котором вновь
синтезируемая нуклеотидная цель образуется прямо на двойной спирали ДНК,
без ее раскручивания).
Сложность процесса репликации ДНК объясняется тем, что обе цепи реплицируются одновременно, хотя имеют разное направление (5'→3' и 3´→5'),
кроме того рост (элонгация) дочерних цепей также должен происходить в противоположных направлениях. С другой стороны, как уже выше было сказано,
элонгация каждой дочерней цепи может идти только в направлении 5'→ 3'. Поэтому ученым Р. Оказаки было высказано предположение, что синтез одной из
дочерних цепей происходит непрерывно в одном направлении, а в это время
синтез второй дочерней цепи идет прерывисто путем соединения коротких
фрагментов (фрагментов Оказаки), синтезируемых в противоположном направлении (рис. 36). По мере роста новых цепей репликативная вилка перемещается
по ДНК.
Рис 36. Синтез ДНК: а - на одной ветви репликативной вилки синтезируется непрерывная нуклеотидная цепь, на другой - фрагменты Оказаки; 6 фрагменты Оказаки соединяются друг с другом в результате действия ДНКлигазы
Биосинтез РНК (транскрипция)
Синтез РНК можно представить схемой:
ДНК-матрица
кАТФ + IУТФ + т ГТФ + п ЦТФ
РНК + (к+I+т+п)Н4Р2О7
Субстратами реакции служат трифосфаты рибонуклеозидов, синтез РНК
требует энергетических затрат. Реакция идет только в присутствии ДНК, одна
из цепей которой служит матрицей. Все синтезированные молекулы РНК име201
ют структуру, комплементарную матрице. Поскольку РНК являются одноцепочечными молекулами, то стехиометрические коэффициенты для всех четырех
субстратов различны. Транскрипция катализируется ферментом
РНК-
полимеразой. Сущность действия его заключается в следующем. Фермент присоединяется к матрице на определенном участке, называемом промоторным. В
результате этого происходит локальное расхождение нуклеотидных цепей ДНК
в данном участке; одна из цепей служит матрицей.
Биосинтез молекулы РНК осуществляется в результате перемещения
РНК-полимеразы вдоль ДНК и происходит путем присоединения очередного
рибонуклеотида, комплементарного тому дезоксирибонуклеотиду ДНК, который в данный момент находится в области активного центра РНК-полимеразы.
В участке ДНК, где заканчивается ген, имеется последовательность нуклеотидов (терминирующий кодон), достигнув которого РНК-полимераза и синтезированная РНК отделяются от ДНК. Таким образом получаются молекулы РНК,
каждая из которых содержит информацию одного гена. Синтез РНК идет в
направлении 5'→3´, и РНК имеет противоположную ДНК полярность цепи. По
мере освобождения промоторного участка к нему могут присоединяться новые
молекулы РНК-полимеразы, так что ген может транскрибироваться одновременно большим количеством молекул фермента. Все образующиеся молекулы
РНК, синтезируемые на одной и той же матрице, комплементарны этой матрице
и идентичны друг другу.
Все типы РНК (рРНК, тРНК, мРНК) синтезируются сходным образом.
Поэтому для любой молекулы РНК, имеющейся в организме, можно найти участок ДНК, которому она комплементарна. Все типы РНК участвуют в биосинтезе белков, но их функции в этом процессе различны (см. табл. 5). Роль матрицы, определяющей первичную структуру белков, выполняют матричные РНК
(мРНК).
Любопытно, что в ДНК эукариот (организмы, клетки которых содержат
ядро, в том числе и человека) имеется большое количество нетранскрибируе202
мых участков: на их долю приходится более половины всей ДНК; их роль в организме пока неизвестна.
В результате транскрипции образуются предшественники тРНК, рРНК и
мРНК, затем в ядре происходит их доработка (созревание, процессинг), и получаются функционально активные РНК. Предшественники обычно имеют избыточные участки по концам нуклеотидной цепи, которые при созревании отщепляются специфическими РНК-азами.
Созревание мРНК имеет ряд особенностей. Оказалось, что ген (представленный ДНК) имеет мозаичную структуру, содержащую наряду с кодирующими участками (экзоны) участки, не несущие структурной информации (интроны). При транскрипции образуется РНК, которая содержит участки, комплементарные как экзонам, так и интронам. Далее этот первичный транскрипт в
ходе созревания удаляет фрагменты, соответствующие интронам, а структурные части, соответствующие экзонам, соединяются (сплайсинг) и образуется
мРНК.
Безматричный синтез РНК
Помимо РНК-полимеразы в клетках есть другой фермент, с помощью которого можно синтезировать РНК in vitro (в неживой природе) - это полинуклеотифосфорилаза. В живой клетке этот фермент катализирует фосфоролиз
3',5'-фосфодиэфирных связей в молекуле РНК, продуктами реакции являются
нуклеозиддифосфаты:
РНК + (k + I + m+n)Н3Р04 ↔ kАДФ + I УДФ + mГДФ + nЦДФ.
Реакция обратима, поэтому при проведении ее in vitro в условиях избытка нуклеозиддифосфатов она идет в направлении синтеза РНК. При этом не требуется
никакой матрицы, а последовательность соединения нуклеотидных остатков в
цепь РНК является случайной. В этом состоит принципиальное отличие матричных синтезов от безматричных.
12.5. Путь информации от генотипа к фенотипу
Еще на рубеже 19-го и 20-го веков было выяснено, что ответственными за
передачу признаков по наследству являются хромосомы, а именно определен203
ный участок их, называемый геном и определяющий некоторый наследственный признак. Всему набору признаков организма соответствует набор генов
всех хромосом - генотип.
Гены наряду с белками содержат ДНК, которые и осуществляют передачу
наследственной информации от поколения к поколению в процессе репликации.
Существует механизм, который регулирует периодичность репликации
ДНК и фазы клеточного цикла. До конца этот механизм еще не выяснен. Синтез
ДНК происходит во время фазы, предшествующей делению клетки, после того
как синтезируются все необходимые нуклеозидтрифосфаты. До этого клетки
диплоидны, т.е. содержат две копии генотипа. В результате репликации каждая
из копий удваивается, и клетка становится тетраплоидной. Во время деления
происходит конденсация хроматина и образование хромосом (тетраплоидный
набор) с последующим делением родительской клетки на две дочерние диплоидные клетки.
Каждому генотипу соответствует определенный фенотип - набор фенотипических признаков организма (проявляющихся как внешне, так и внутренне).
Путь информации от генотипа к фенотипу можно выразить простой схемой: ДНК→РНК→белок.
1-я и 2-я стадии этой схемы уже рассмотрены. Таким образом, ген определяет первичную структуру белков: информация, записанная с помощью
определенного чередования нуклеотидных остатков, переводится в информацию, записанную чередованием аминокислотных остатков. Иначе говоря, ДНК
служит матрицей для синтеза РНК, а РНК - матрицей для синтеза белков. Это
положение - основной постулат молекулярной биологии.
Основы генетической инженерии. Целью генетической инженерии является получение организмов (животных и растений) с новыми наследственными свойствами с помощью чисто лабораторных приемов. Осуществить эту цель
чрезвычайно сложно, что обусловлено недостаточностью знаний о структуре и
функционировании генов.
204
Для достижения поставленной цели в организм необходимо ввести соответствующий ген или гены. Поэтому первым этапом является синтез гена химическим или биологическим путем либо выделение его из другого организма.
Следующий этап генетической инженерии - перенос генов в клетку осуществляется тремя способами: трансформацией (перенос генов посредством
выделенной и очищенной от примесей ДНК), трансдукцией (перенос генов посредством вирусов) или гибридизацией клеток, полученных из разных организмов.
Заключительный этап сводится к адаптации введенного гена в организме
хозяина и уже не зависит от искусства экспериментатора.
Казалось бы, довольно простая схема, но тем не менее в настоящее время
в генетической инженерии наблюдается некоторый спад. Переход от исследования на клетках прокариот (организмы, клетки которых не имеют ядра как такового) к исследованиям на клетках эукариот встретил ряд технических трудностей из-за мозаичной структуры генов последних. В частности, открытие экзонов и интронов в генотипе ДНК, открытие явления сплайсинга во время формирования матричной РНК указывают на необходимость соблюдения высочайшей точности процедуры вырезания необходимого гена из ДНК генотипа
соответствующими ферментами (рестриктазами). Иначе могут быть получены
не гены, несущие информацию, а участки интронов, не кодирующие белок.
После открытия методов искусственного синтеза и сшивки отдельных
участков молекулы ДНК, появилась возможность создания новых, неизвестных
ранее организмов с заранее заданными свойствами. Сложилось новое направление - биотехнология, занимающаяся решением практических задач здравоохранения и сельского хозяйства. Полученные в лаборатории гены широко используются в микробиологической промышленности для приготовления лекарственных препаратов белковой природы (гормонов, ферментов и др.), а также
все больше попыток применить их при лечении многих наследственных заболеваний (всего их более 2000), генетический дефект которых точно известен
пока только для 50 болезней.
205
Глава 13. ОБМЕН БЕЛКОВ
13.1. Понятие об обмене белков
Обмен белков занимает самое важное место в метаболизме живых организмов, так как благодаря уникальным функциям и многообразию превращений белков любой живой организм существует, развивается и воспроизводит
сам себя. Все другие виды обмена подчинены и обслуживают обмен белков как
источник самой жизни.
Обмен углеводов и липидов является основным источником энергии в
форме АТФ, необходимой для синтеза липидов. Углеводный обмен, кроме того,
является основным источником углеродных цепей в биосинтезе аминокислот.
Обмен нуклеиновых кислот обеспечивает хранение и передачу информации о первичной структуре белков, обслуживая специфическое воспроизведение белковых молекул.
Минеральный обмен способствует созданию или распаду ферментов, катализирующих синтез белков, а также структур, при помощи которых этот синтез осуществляется.
С другой стороны, белковый обмен координирует и регулирует все виды
обмена в организме, так как помимо основной пластической функции (главный
строительный материал всех органов и тканей) белки могут служить источником энергии, белки выполняют уникальную каталитическую функцию (ферменты), белки принимают участие в биосинтезе гормонов, регулирующих процессы обмена веществ в организме.
Таким образом, белки являются незаменимыми веществами для организма, и основной их источник - это продукты питания. При незначительном содержании белков в пище возникает серьезное заболевание - белковая недостаточность, следствием которой является нарушение ряда важных физиологических функций организма (исключение белков из пищи на длительный срок
приводит к серьезным нарушениям, а иногда и к необратимым патологическим
явлениям).
206
В теле взрослого человека массой 70 килограммов содержится примерно
15-17 килограммов белков. Ежесуточно распадается на аминокислоты 400
граммов белков и столько же синтезируется из свободных аминокислот, источниками которых служат белки пищи, белки собственных тканей, а также синтез
аминокислот из углеводов. Доказано, что белки нужны не только растущему
организму, но и уже сформировавшемуся, так как в организме происходит постоянное обновление химического состава всех органов и тканей, но с различной скоростью.
Время, в течение которого белки всего организма обновляются наполовину, называют средним временем полужизни или полупериодом распада белков. У человека он равен примерно 12 неделям. Измеряют время полужизни и
отдельных белков. У человека белки печени в среднем обновляются наполовину за 2 недели, хотя некоторые из них - за 15-20 минут, белки мышц - за 27
недель. Самый интенсивный обмен веществ происходит в печени. Для белков
кишечника полупериод распада равен нескольким дням, а для ряда, гормонов нескольким часам или даже минутам (инсулин).
В растущем организме, а также при выздоровлении или беременности
скорость синтеза белков превышает скорость их распада, тогда как для сформировавшегося и нормально функционирующего организма эти скорости равны. Состояние белкового обмена регулируется деятельностью центральной
нервной системы (ЦНС) и зависит как от экзогенных факторов (характер питания, экология), так и от эндогенных (обеспеченность витаминами В1, В2,В6,РР и
др., деятельность желез внутренней секреции, вырабатывающих гормоны;
оснащенность организма ферментами; степень усвоения белков и аминокислот
пищи и др.)
Так как основная масса азота пищи (более 95 %) находится в составе белков, а большинство выделяемых организмом азотистых соединений являются
продуктами распада белка, то о состоянии белкового обмена можно судить по
азотистому балансу. Под последним понимают разницу между количеством
азота, поступающего с пищей, и количеством выделяемого азота. Для здорово207
го взрослого человека характерно состояние азотистого равновесия. Для растущего и выздоравливающего организма наблюдается положительный азотистый
баланс - выводится азота меньше, чем поступает, общая масса белков организма увеличивается. При старении, голодании, тяжелых болезнях - азота выводится больше, чем поступает - отрицательный азотистый баланс, общая масса
белков уменьшается. Для поддержания азотистого равновесия, для нормального
здоровья и работоспособности взрослому человеку умственного труда с умеренной физической нагрузкой требуется 100-120 граммов белка в сутки, при
тяжелой физической нагрузке - 130-160 граммов. Детям до 10-12 лет - от 55 до
80 граммов белка в сутки, после 12-13 лет - не менее 90-100 граммов в сутки.
Наибольшее содержание белков в следующих продуктах: мясо (18-22 %),
рыба (17-22 %), сыр (20-36 %), горох и фасоль (24-26 %), соя (35 %), яйца (13
%), крупы (8-12 %), орехи (8-13 %), макароны (9-13 %) и в некоторых других.
Состояние белкового обмена человека зависит не только от количества
поступающего с пищей белка, но и от его качества. Установлено, что в организме человека и большинства животных, в отличие от растительных организмов, из 20 необходимых аминокислот синтезируется только 10 и эти аминокислоты называются заменимыми. Другие 10 аминокислот, названные незаменимыми, обязательно должны поступать в организм с пищей. К ним относят триптофан, лейцин, изолейцин, валин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин, аргинин (частично незаменим) и гистидин (незаменим для детей и частично незаменим для взрослых). Следует особо подчеркнуть, что недостаток какой-либо
одной незаменимой аминокислоты ведет к неполному усвоению и других аминокислот.
Биологическая ценность пищевого белка зависит прежде всего от степени
его усвоения организмом, что определяется соответствием между аминокислотным составом белков пищи и белков тела. Кроме того, пищевая ценность
белка высока, если он содержит все незаменимые аминокислоты или большинство из них в необходимых для человека соотношениях. Таким требованиям отвечают многие белки животных. Поэтому для человека биологически более
208
ценны белки животного происхождения, которые усваиваются организмом более чем на 90%. Белки растительного происхождения перевариваются труднее
и усваиваются на 60-80 %. Поэтому для оптимального удовлетворения всех потребностей организма в белках человеку нужно значительно больше растительных белков, чем животных.
Таким образом, для нормальной жизнедеятельности организма очень
большое значение имеет полноценное питание, имеющее различия для разных
возрастов, разных климатических условий и различных условий труда.
13.2. Переваривание белков пищи и распад белков тканей
Переваривание белков
Переваривание белков пищи происходит в желудочно-кишечном тракте
под действием протеолитических ферментов с субстратной специфичностью
действия - пептигидролаз. В результате белки распадаются на аминокислоты.
Таким путем организм получает мономеры для синтеза собственных белков.
Начинается расщепление белков в желудке. Образующаяся в клетках слизистой оболочки Желудка соляная кислота создает рН, равный 1,5-2,5, благоприятное для действия фермента пепсина, и принимает участие в его синтезе из
белка пепсиногена. Превращение пепсиногена в пепсин может происходить при
действии соляной кислоты или самого пепсина, т.е. аутокаталитически:
пепсиноген
пепсин (медленно)
пепсиноген
пепсин (быстро)
Кроме того, HCI сама в незначительной степени гидролизует белки, а
также денатурирует их, облегчая последующий гидролиз пепсином.
Пепсин (табл.14) гидролизует только пептидные связи, в образовании которых участвует аминогруппа ароматической кислоты или дикарбоновой кислоты. В результате молекула белка распадается на олигопептиды.
Завершается переваривание белков в верхнем отделе тонкого кишечника.
При рН 7-8 в клетках поджелудочной железы происходит образование трипсина и химотрипсина из белков трипсиногена и химотрипсиногена. Эти ферменты
209
катализируют дальнейший гидролиз белков. Трипсин (см. табл.14) гидролизует
пептидные связи, образованные карбоксильными группами аргинина и лизина.
Химотрипсин гидролизует пептидные связи, образованные карбоксильной
группой ароматических аминокислот.
Таблица 14
Связи, расщепляемые эндопептидазами (X - любая аминокислота)
Пепсин
Химотрипсин
Трипсин
- Leu-Glu - Try - X - Arq - X - X - Phe - Phe - X -Lys-X- X - Туr -Туr-ХТаким образом, пепсин, трипсин и химотрипсин катализируют гидролиз
пептидных связей, расположенных внутри цепи белка. Такие ферменты называют эндопептидазами, в результате их действия образуются олиголептиды,
пептиды и немного аминокислот.
В клетках поджелудочной железы и кишечника содержатся также ферменты - экзопептидазы, которые катализируют гидролиз концевых пептидных
связей в полипептидах и пептидах. Карбоксипептидазы гидролизуют пептидную связь, образованную С-концевым аминокислотным остатком. Карбоксипептидаза А отщепляет преимущественно С-концевые аминокислоты с гидрофобным радикалом, а карбоксипептидаза В отщепляет С-концевые остатки лизина и аргинина.
Кислое желудочное содержимое в двенадцатиперстной кишке нейтрализуется соком поджелудочной железы, имеющим слабощелочную реакцию. Содержимое верхнего отдела тонкой кишки имеет рН около 8; в этой же области
рН находится оптимум действия ферментов кишечника.
Последний этап переваривания происходит при участии ферментов кишечника - аминопептидаз и дипептидаз. Аминопептидазы - это экзопептидазы,
они отщепляют N-концевые аминокислоты от пептидов. Дипептидазы гидролизуют дипептиды. Последовательное действие всего набора пищеварительных
пептидгидролаз обеспечивает полное расщепление белков до аминокислот. В
кровоток из клеток кишечника поступают только аминокислоты.
210
Распад белков в тканях
Уже упоминалось, что за сутки расщепляется около 400 граммов тканевых белков и что скорость обновления различных белков неодинакова. Клетки
разных органов содержат большое количество протеолитических ферментов,
которые и обеспечивают внутриклеточный гидролиз белков. Основная часть
белков гидролизуется в лизосомах. Основные причины распада тканевых белков следующие:
- старение клеток или повреждение их внешними факторами, после чего
они деполимеризуются в лизосомах;
- денатурация белков, которая происходит непрерывно с определенной
скоростью;
- частичный протеолиз белков в ходе пострансляционной достройки;
- переваривание белков пищеварительных соков (в основном это ферменты);
- регуляция концентрации белков путем индикации и репрессии. Механизм этой регуляции связан с механизмом разрушения соответствующих белков (ферментов, гормонов и др.) в условиях, когда необходимость в них отпала.
13.3. Метаболизм аминокислот
Пути распада аминокислот до конечных продуктов можно условно разделить на три группы: 1) пути распада, связанные с превращением NH2-гpyпп
(трансаминирование и дезаминирование); 2) пути распада углеродных скелетов
аминокислот; 3) декарбоксилирование α-СООН -групп аминокислот. Третий
путь является частным вариантом превращения углеродных скелетов аминокислот.
Трансаминирование аминокислот
Трансаминирование (переаминирование) - это реакция обмена аминогруппы и кетогруппы между α-аминокислотой и α-кетокислотой по схеме:
211
α-аминокислота 1
α-кетокислота 2
Кетоаналог αα-аминокислота 2
аминокислоты 1
Реакции трансаминирования обратимы, константа равновесия близка к
единице. Направление превращения зависит от скорости поступления субстратов в клетку или скорости удаления продуктов реакции.
Реакции трансаминирования катализируются ферментами - аминотрансферазами. Аминотрансферазы имеются во всех животных и растительных клетках, а также в микроорганизмах. Уже обнаружено более 50 аминотрансфераз.
Аминотрансферазы содержатся практически во всех органах, но наиболее активно реакции трансаминирования протекают в печени.
Функциональное значение трансаминирования в разных органах различно. Например, работающая мышца выделяет в кровь наряду с молочной кислотой значительные количества аланина. Аланин образуется в мышце из пировиноградной кислоты путем трансаминирования:
Пировиноградная
кислота
Глутаминовая
кислота
α-кетоглутаровая
кислота
Аланин
Из кровотока аланин поглощается печенью, где в результате трансаминирования вновь превращается в пировиноградную кислоту, а последняя используется для глюконеогенеза. Этим путем осуществляется перенос из мышц в
печень не только пирувата, но и азота; в печени за счет аминогруппы аминокислот образуется мочевина, которая выводится из организма.
212
Дезамииирование аминокислот
В тканях организма происходит отщепление аминогруппы от аминокислот с образованием аммиака. Этот процесс называется дезаминированием. Возможны четыре типа дезаминирования:
1) восстановительное:
Жирная кислота
2) гидролитическое:
Оксикислота
3) внутримолекулярное:
Ненасыщенная кислота
4) окислительное:
Кетокислота
Для большинства организмов, в том числе человека и животных, характерно окислительное дезаминирование, хотя для некоторых аминокислот,
например гистидина, имеет место внутримолекулярное дезаминирование. Процесс окислительного дезаминирования аминокислот, за исключением дезаминирования глутаминовой кислоты, является необратимым. Из глутаминовой
кислоты в присутствии НАД - фермента образуется α-кетоглутаровая кислота
(метаболит цитратного цикла):
213
Глутаминовая кислота
α-кетоглутаровая кислота
Этот процесс служит связующим звеном между метаболизмом углеводов
и метаболизмом глутаминовой кислоты.
В отличие от глутаминовой кислоты аминогруппы других аминокислот
превращаются в NН3 непрямым путем. Сначала происходит трансаминирование
аминокислоты с α-кетоглутаратом и образуется глутаминовая кислота, которая
затем дезаминируется глутаматдегидрогеназой (рис. 37). Обе стадии этого процесса обратимы.
Рис. 37. Общая схема реакции дезаминирования аминокислот
Другой путь непрямого дезаминирования аминокислот включает перенос
их аминогруппы сначала на аспартат, затем на инозиновую кислоту (ИМФ) с
образованием АМФ и, наконец, дезаминирование АМФ (рис. 38).
Этот сложный путь дезаминирования аминокислот особенно активно
протекает в мышечной ткани, которая содержит мало глутаматдегидрогеназы, а
также в мозге.
Рис.38. Дезаминирование аминокислот с участием цикла ИМФ - АМФ
214
Превращение углеродных скелетов аминокислот.
Реакции декарбоксилирования
Углеродные скелеты белковых аминокислот после отщепления аминогрупп в конечном итоге превращаются в пять продуктов, которые вовлекаются
в цикл Кребса. Глицин, аланин, лейцин, цистеин, серии, треонин, лизин, триптофан превращаются в ацетил-КоА; фенилаланин и тирозин - в ацетил-КоА и
фумарат; изолейцин - в ацетил-КоА и сукцинил-КоА; аргинин, гистидин, глутамин, глутамат, пролин - в α-кетоглутарат; аспаргин и аспартат - в оксалоацетат. Сгорая до СО2 и Н2О, аминокислота дает значительное количество энергии,
почти такое же, как при аэробном окислении глюкозы.
Частным случаем превращений углеродных скелетов аминокислот является их декарбоксилирование - процесс отщепления карбоксильной группы в
виде СО2. Не все аминокислоты подвергаются декарбоксилированию, причем у
микроорганизмов и растений этому превращению подвергается большее количество аминокислот, чем у животных и человека. Реакции декарбоксилирования
являются
необратимыми.
Наиболее
распространено
α-
декарбоксилирование, протекающее по схеме:
Аминокислота
Амин
Реакция катализируется декарбоксилазами аминокислот с коферментом пиродоксальфосфатом. Продуктами реакции являются СО2 и амины, названные
биогенными вследствие их сильного фармакологического действия на множество физиологических функций человека и животных.
13.4. Удаление аммиака из организма. Орнитиновый цикл
Аммиак очень токсичное соединение, особенно для нервных клеток. При
накоплении его возникает возбуждение нервной системы. Поэтому концентрация аммиака в организме должна сохраняться на низком уровне. Уровень аммиака в норме в крови не превышает 1-2 мг/л (это почти в 1000 раз меньше
215
концентрации сахара в крови). На кроликах показано, что концентрация аммиака 50 мг/л является летальной. Таким образом, аммиак должен подвергаться
связыванию в тканях с образованием нетоксичных соединений, легко выделяемых с мочой.
Аммиак образуется в ходе следующих процессов:
- дезаминирование аминокислот;
- дезаминирование биогенных аминов;
- дезаминирование пуриновых оснований (гуанина и аденина);
- дезаминирование глутамина и аспарагина;
- распад пиримидиновых оснований (урацила, тимина, цитозина). В тканях организма существуют следующие пути обезвреживания аммиака:
- образование мочевины (орнитиновый цикл);
- восстановительное аминирование кетокислот;
- образование амидов аминокислот - аспарагина и глутамина;
- образование аммонийных солей.
Главный путь обезвреживания аммиака - синтез мочевины, происходящий в печени.
В 1933 году Кребс и Гензелейт установили, что синтез мочевины представляет собой циклический процесс, в котором каталитическую роль играет
орнитин. В последующие десятилетия были раскрыты все реакции этого процесса, и он получил название орнитинового цикла, или цикла КребсаГензелейта (рис. 39).
Рис. 39. Орнитиновый цикл мочевинобразования
216
Начальной реакцией этого цикла является синтез высокоэнергетического
соединения - карбамоилфосфата под действием фермента - карбамоилфосфатсинтетазы:
Карбамоильная группа далее переносится на орнитин с образованием
цитруллина; реакцию катализирует орнитин-карбамоилтрансфераза:
Орнитин
Карбамоилфосфат
Цитруллин
Затем цитруллин- реагирует с аспарагиновой кислотой, превращаясь в аргининянтарную кислоту при действии аргининосукцинатсинтетазы:
Цитруллин
Аспартат
Аргининосукцинат
Аргининосукцинат под действием аргининосукциназы распадается на аргинин и фумаровую кислоту:
217
Аргининосукцинат
Аргинин
Фумарат
Далее аргинин гидролизуется аргиназой с образованием мочевины и орнитина:
Аргинин
Орнитин
Мочевина
Мочевина поступает с током крови а почки и уносится из организма с
мочой, а орнитин возвращается в цикл. Реакции орнитинового цикла до стадии
образования цитруллина происходят в митохондриях, а последующие стадии в цитозоле клеток. Если человек в сутки получает 80-100 г белков, то образуется 25-30 г мочевины.
Важным вспомогательным путем связывания аммиака является образование аспарагина и глутамина с участием аспарагинсинтетазы и глутаминсинтетазы соответственно:
аспартат + АТФ + NH3 = аспарагин + АМФ + Н4Р2О7;
глутамат + АТФ + NH3 = глутамин + АДФ + H3PО4.
Эти процессы активны в нервной и мышечной тканях, в почках, в печени.
218
Часть аммиака легко связывается с α-кетоглутаровой кислотой, т.е. протекает реакция, обратная окислительному дезаминированию глутаминовой кислоты:
α-кетоглутарат + NH3
глутамат + Н2О
Но вклад этой реакции в обезвреживание аммиака невелик, так как необходимы значительные количества α-кетоглутарата.
Глутамин и в меньшей степени аспарагин считают как бы транспортной
формой аммиака, так как, образуясь в тканях, они с кровью попадают в почки,
где подвергаются гидролизу под действием специфических ферментов - глутаминазы и аспарагиназы:
аспарагин + Н2О = аспартат + NH3;
глутамин + H2O = глутамат + NH3.
Освободившийся в канальцах почек аммиак нейтрализует кислые продукты обмена при ацидозе, защищая тем самым организм от потери с мочой
ионов Na+ и К*. При этом образуются соли аммония:
NH3 + Н+ + СI¯ = NH4CI,
которые выделяются с мочой.
13.5. Синтез аминокислот
В организме может синтезироваться любая из заменимых аминокислот.
При этом исходными веществами при биосинтезе заменимых аминокислот
служат метаболиты обмена углеводов.
Установлено, что в живых организмах путем реакций прямого восстановительного аминирования синтезируется три аминокислоты: аланин, аспартат и
глутамат из пирувата, оксалоацетата и α-кетоглутарата соответственно:
Пируват
Аланин
219
Оксалоацета
Аспартат
α-кетоглутарат
Глутамат
Остальные аминокислоты, как правило, получаются в результате реакций
трансаминирования вышеназванных аминокислот с соответствующими кетокислотами. Поэтому аланин, аспартат и глутамат часто называют первичными,
а остальные аминокислоты - вторичными. Первичные аминокислоты могут
синтезироваться также и в результате реакций трансаминирования:
пируват + глутамин
аланин + α-кетоглутарат
Оксалоацета + глутамат
Аспартат + α-кетоглутарат
Глутамин и аспарагин с участием глутаминсинтетазы и аспарагинсинтетазы синтезируются по уравнениям:
аспартат + АТФ + NH3 = аспарагин + АМФ + Н4Р2О7
глутамат + АТФ + NH3 = глутамин + АДФ + Н3РО4
Аспарагин синтезируется также из аспартата и глутамина, который служит донором амидной группы:
220
аспартат
глутамин
аспарагин
глутамат
Пролин образуется из глутаминовой кислоты:
Глутамат
γ-полуальдегид глутамата
Пролин
Из 3-фосфоглицерата образуется серин, а из серина - глицин. Поэтому
общим предшественником для серина и глицина можно считать 3фосфоглицерат:
серии + ТГФК = глицин + N5, N10-метилен-ТГФК.
(ТГФК - тетрагидрофолиевая кислота)
Из рибозо-5-фосфата образуется гистидин. Первоначально рибозо-5фосфат превращается в α-5-фосфорибозил-1-дифосфат (ФРДФ)(см. главу 12),
который участвует в дальнейших стадиях биосинтеза и гистидина, и пуринов:
рибозо-5-фосфат → ФРДФ → гистидин.
Однако возможности биосинтеза гистидина таким способом ограничены,
поэтому он является полузаменимой аминокислотой.
Из незаменимой аминокислоты фенилаланина образуется заменимая - тирозин. Это процесс катализируется фенилаланингидроксилазой, кофактором
которой является дигидробиоптерин, а восстановителем – НАД.Н+Н+.
Фенилаланин + НАДФ.Н + Н+ + О2 = тирозин + НАДФ+ + Н2О
221
Поскольку фенилаланин - незаменимая кислота, то возможности эндогенного синтеза тирозина ограничены. Метионин (незаменимая кислота) может
превращаться в цистеин.
Орнитин в животных тканях превращается в аргинин. Однако эта возможность образования аргинина невелика, так как он сам служит субстратом
для синтеза мочевины. Поэтому аргинин является полузаменимой аминокислотой.
Незаменимые аминокислоты, за исключением лизина и треонина, участвуют в реакциях трансаминирования, следовательно, при наличии соответствующих α-кетокислот они тоже могли бы синтезироваться в организме. Незаменимы собственно α-кетокислоты, соответствующие незаменимым аминокислотам. Единственным источником таких α-кетокислот служат незаменимые
аминокислоты пищи. Поэтому трансаминирование незаменимых аминокислот
служит только этапом их катаболизма, а не синтеза, в отличие от заменимых
аминокислот, для которых трансаминирование может быть начальной стадией
катаболизма или конечной стадией синтеза.
13.6. Биосинтез белков (трансляция)
Биосинтез белков в организмах осуществляется при помощи рибосом и
является матричным синтезом наряду с репликацией и транскрипцией и носит
название трансляции. Матрицей в процессе трансляции служит мРНК. Трансляция отличается от репликации и транскрипции двумя особенностями:
- нет соответствия между числом мономеров в матрице (мРНК) и в продукте реакции (белке);
- матрица (мРНК) и образующаяся на ней полипептидная цепь (белок) не
комплементарны друг к другу.
Это означает, что механизм использования матрицы при трансляции
иной, чем при репликации и транскрипции.
222
Первичная структура мРНК содержит в себе биологический код (информацию о первичной структуре белков), и в процессе трансляции происходит как
бы декодирование этой информации и образование соответствующего белка.
Установлено, что в биологическом коде кодовое число равно трем, т.е.
три нуклеотидных остатка (триплет, или кодон) кодируют включение в белок
одной аминокислоты. Число разных триплетов равно 43=64 (4 - число нуклеотидных мономеров в РНК). 61 триплет используется для кодирования аминокислот, а три: УАА, УАГ, УГА - являются терминирующими - на них обрывается дальнейшее наращивание пептидной цепи белка (табл.15).
Каждый триплет кодирует только одну аминокислоту (свойство специфичности кода); с другой стороны, одна аминокислота может кодироваться
двумя и более (до 6) триплетами (свойство вырожденности кода). Например,
включение в белок серина кодируется шестью триплетами: УЦУ, УЦЦ, УЦА,
УЦГ, АГУ и АГЦ (см. табл. 15). Установлено, что биологический код одинаков
для всех живых организмов разной степени организации (свойство универсальности кода).
Путь информации от ДНК к белку представляется следующим образом:
223
Таблица 15. Биологический код
224
Прямое комплементарное взаимодействие между аминокислотами и триплетами нуклеотидов в мРНК, как уже было сказано выше, невозможно. Взаимодействие косвенное. Роль посредника (или адаптера) в этом процессе выполняют молекулы тРНК: для каждой аминокислоты своя, что обозначается следующим образом: тРНКАла (аланиновая тРНК); тРНКВал (валиновая тРНК) и т.д.
Поскольку код вырожденный, то число разных тРНК должно быть не менее 61.
Взаимодействие тРНК с аминокислотами - ферментативный процесс,
идущий с поглощением энергии и приводящий к образованию ковалентной связи между аминокислотой и тРНК:
аминокистота+тРНКаминокислоты + АТФ → аа-тРНКаминокислоты +АМФ +Н4Р2О7.
Образуется соединение называемое аминоацил-тРНК (аа-тРНК). Аминокислота присоединяется к З'-концу нуклеотидной цепи тРНК (где имеется последовательность А-Ц-Ц, общая для всех тРНК). При этом получается сложноэфирная связь за счет карбоксильной группы аминокислоты, и гидроксильной
группы концевого остатка адениловой кислоты в тРНК:
Эта связь является макроэргической, поэтому образование аа-тРНК можно рассматривать как активацию аминокислоты. Данная реакция катализируется ферментами аминоацил-тРНК-синтетазами, обладающими субстратной специфичностью: каждый фермент катализирует реакцию только одной аминокислоты с соответствующей ей тРНК.
225
Образовавшиеся аа-тРНК взаимодействуют с мРНК за счет комплементарности соответствующему кодону мРНК триплета нуклеотидов в одной из
петель клеверного листа тРНК, называемого антикодоном.
Таким
образом,
аа-тРНК
присоединяется
антикодонами
к
соот-
ветствующим кодонам мРНК и образуется последовательность аминокислот в
соответствии с расположением кодонов в мРНК - возникает белок с определенной первичной структурой.
Процесс активации аминокислот происходит в гиалоплазме клетки, а
непосредственно синтез белка - на рибосомах.
Таким образом, для биосинтеза белка требуются: мРНК как генетическая
матрица, содержащая информацию о первичной структуре белка; аминоацилтРНК - для чтения «текста» мРНК и как источник аминокислот при сборке белка; рибосомы как молекулярные машины для последовательного соединения
аминокислот в полипептидную цепь в соответствии с программой мРНК. Кроме
того, используется ГТФ как источник энергии при синтезе белка в рибосомах;
белковые «факторы», помогающие на разных фазах сборки белка в рибосомах,
а также некоторые ионы как кофакторы ферментов ( Мg2+, К+ и др.).
Устройство рибосом прокариотов и эукариотов примерно одинаково. Отличаются они лишь молекулярной массой. У эукариотов она больше, чем у
прокариотов. Состоят рибосомы из двух субчастиц - большой и малой; скелет
каждой из них образует рРНК, окруженная белками.
Установлено, что рибосомы активны только в полностью собранном виде. Рибосомы, не участвующие в синтезе белка, легко диссоциируют на субчастицы. Рибосомы могут свободно перемещаться в различные участки клетки,
что дает возможность собирать белки в клетке там, где это нужно.
Весь процесс трансляции, протекающий на рибосомах, делят на три стадии: инициация (начало), элонгация (удлинение полипелтидной цеgи) и терминация (окончание).
Инициация. Начало трансляции - наиболее медленный процесс. В нерабочем состоянии субчастицы рибосом разомкнуты. мРНК, поступившая из ядра
226
в цитоплазму, связывается с малой субчастицой на поверхности, обращенной к
большой субчастице. Причем присоединение идет 5'-концом РНК, так как "чтение" программы РНК всегда идет в направлении 5' → 3'. В пределах субчастицы умещаются только два кодона мРНК. Первым кодоном мРНК у 5'-конца является АУГ(Меt) или ГУГ(VаI). Эти кодоны называют инициирующими, так
как именно с них всегда начинается трансляция в рибосомах. Этим кодонам соответствует антикодон метионил-тРНКMet. Кроме того, в инициации участвуют
внерибосомные белки (факторы инициации), которые облегчают связывание
мРНК с малой субчастицой и ГТФ. К этому первичному комплексу (факторы
инициации - малая субчастица- мРНК - Met-ТPHKMET -ГТФ) присоединяется
большая субчастица рибосом, после чего факторы инициации удаляются из рибосом. Необходимая для смыкания субчастиц энергия получается за счет гидролиза ГТФ. Образовавшийся инициирующий комплекс (мРНК -Met-TPHKMET рибосома) готов к элонгации. Причем метионил - TPHKMET своим антикодоном
комплементарно спаривается с кодоном АУГ мРНК, т.е. как бы "подвешивается" на водородных связях к мРНК, а акцепторный конец, где находится аминокислота, прикрепляется к большой субчастице рибосом (ее пептидильному центру).
Элонгация. Синтез полипептида всегда начинается от N-конца и заканчивается С-концом. Наращивание полипептида на одну аминокислоту осуществляется в три этапа.
1. Связывание аа-тРНК1. К инициирующему комплексу присоединяется
аа-тРНК1, соответствующая первому кодону мРНК (следующему за инициирующим кодоном). Эта аа-тРНК1 взаимодействует и с мРНК (своим а тикодоном),
и с определенными участками рибосомы - назовем их центр связывания. Этот
процесс требует энергию одной молекулы ГТФ, а также участия в ней рибосомного белка - фактора элонгации EF1.
2. Образование пептидной связи. Остаток метионина с Met-тРНК1 переносится на аминогруппу остатка аминокислоты в аа-тРНК1. При этом получается дипептидил- тРНК1, связанная с кодоном 1 и с центром связывания.
227
3. Транслокация - перемещение рибосомы относительно мРНК и дипептидил-тРНК1. В результате этого дипептидил-тРНК1 оказывается в области пептидильного центра рибосомы, но по-прежнему связана с первым кодоном
мРНК. При этом тРНКMet освобождается из комплекса. Транслокация требует
энергию двух молегул ГТФ и внерибосомный белок - фактор элонгации EF2.
Далее эти три этапа повторяются, происходит наращивание пептидной
цепи с огромной скоростью: за 1 минуту синтезируется пептид, содержащий
40-60 аминокислот.
Терминация. Удлинение пептидной цепи продолжается до тех пор, пока
на пути рибосомы не встретится один из терминирующих триплетов мРНК:
УАА, УАГ или УГА. В области этих триплетов при участии внерибосомных
белков - факторов терминации - происходит гидролитическое расщепление связи между пептидом и последней тРНК, освобождается готовый белок.
На включение в белок каждой аминокислоты расходуется энергия четырех макроэргических молекул: одной АТФ (на стадии синтеза аа-РНК) и трех
ГТФ (на стадии элонгации).
Рибосома в ходе трансляции перемещается вдоль мРНК в направлении 5'
3' -конец. По мере освобождения 5'-конца к нему присоединяется новая рибосома и т.д. На молекуле мРНК может поместиться несколько рибосом (каждая
соответствует примерно 30 кодонам) - возникает полирибосома. Чех длиннее
пептидная цепь кодируемого белка, тем длиннее молекула РНК и тем больше
число рибосом в полирибосоме.
В процессе трансляции по мере удлинения пептидной цепи формируются
сразу вторичная и третичная структуры белка. Функционально активный белок
образуется окончательно в ходе посттрансляционной достройки.
Регуляция биосинтеза белков. Концентрация многих белков в клетке
непостоянна и изменяется в зависимости от условий, например, в зависимости
от количества и состава пищи, в процессе онтогенеза, при введении некоторых
лекарственных веществ. Это происходит в результате регуляции скоростей синтеза и распада белков. На рис.40 указаны процессы, от которых зависит кон228
центрация белков в клетке и которые могут быть точками приложения регуляторных механизмов.
Рис. 40. Основные процессы, от скорости которых зависит концентрация
белка в живой клетке: 1 транскрипция; 2 - созревание и транспорт мРНК из ядра в цитоплазму; 3 - трансляция; 4 - посттрансляционная достройка белка; 5 распад мРНК; 6 - распад белка
229
Глава 14. ВОДНО-СОЛЕВОЙ И МИНЕРАЛЬНЫЙ ОБМЕН
Следует различать понятия «водно-солевой обмен» и «минеральный обмен». Говоря о водно-солевом обмене, имеют в виду прежде всего обмен Н2О и
NaCI и некоторых других ионов, например (НСОз)¯. Минеральным обменом
называют обмен любых минеральных веществ организма, в том числе и таких,
которые не влияют на основные параметры жидкой среды организма (объём
жидкости, осмотическое давление, водородный показатель - рН).
14.1. Водно-солевой обмен
Содержание воды в организме и клетке
Вода - обязательный спутник жизни. Нет ни одного организма, который
мог бы обходиться без неё. Содержание воды в теле человека колеблется в зависимости от возраста от 45 до 75% от общей массы (табл. 16). Еще более значительные колебания в содержании воды наблюдаются в различных органах и
тканях животных, и растений. Так, в биологических жидкостях (сок деревьев,
кровь, лимфа, слюна, желудочный сок животных и др.) содержание воды от 88
до 99%, тогда как в древесине или костной ткани животных - 20-24%.
Таблица 16. Содержание воды в организме человека в зависимости от возраста
Возраст человека
Содержание воды
(% от массы тела)
75
70
60-65
55-60
45-55
Новорожденный
До 1 года
От 1 до 10 лет
От 10 до 50 лет
Более 50 лет
Вся вода распределена между тремя пространствами: внутри клеток
(внутриклеточная), вне клеток (внеклеточная) и в замкнутых полостях.
Наибольшее количество воды внутри клеток: от 65 до 70%, внутриполостная
вода составляет небольшую долю ~ 1-3% (входит в состав спинномозговой,
внутриглазной, синовиальной - в полости суставов -жидкостей и т.д.) Остальная вода - внеклеточная (межклеточный метрике ~25%, плазма крови и лимфа
~5-7%) Содержание воды в плазме крови остаётся практически постоянным на
230
протяжении всей жизни (~7%). Соотношение содержания внутриклеточной воды и внеклеточной меняется с возрастом. У новорождённых больше общей воды за счёт внеклеточной, а с возрастом её количество уменьшается, т.е. организм становится как бы суше. Потери воды идут за счёт внеклеточных жидкостей. Необходимое содержание воды поддерживается за счёт поступления её
извне с пищей (~ 2 л. в сутки); к этому добавляется 0,3-0,4 л метаболической
воды, образующейся при тканевом дыхании. При продолжительности жизни 70
лет человек потребляет около 25 т воды.
В клетках различных органов человека содержание воды неодинаково
(табл.17), что определяется значением Н2О для функции той или иной ткани. В
большинстве тканей воды 65-70%, а в крови и почках её более 80% (% от массы
ткани). Низкое содержание H2O в жировой ткани объясняется неспособностью
жира удержать воду (см. табл 17).
Таблица 17 Содержание воды в различных органах и тканях взрослого
человека (% от массы ткани)
Ткань или орган
Вода
Ткань или орган
Вода
Жировая ткань
10,0
Мышца
75,6
Костная ткань
22,0
Селезенка
75,8
Печень
68,3
Легкие
79,0
Кожа
72,0
Ceoaue
79,2
Кишечник
74,5
Почки
82,7
Мозг
74,8
Кровь
83,0
Роль и функции воды в процессе жизнедеятельности
Вода в жизни организмов играет важнейшую роль. Так выяснено, что
полная утрата жиров и понижение наполовину содержания белков в организме
в результате голодания не столь опасны, как потеря воды. При отсутствии питья человек погибает через несколько суток в результате дегидратации тканей,
когда общее количество воды в организме уменьшается на 10 -12%.
В силу особенностей физико-химических свойств вода имеет следующие
биологические функции:
1. Вода - растворитель и стабилизатор растворенных биологических
молекул и ионов. В силу своей полярности молекулы воды способны объеди231
няться в структурные агрегаты за счёт возникновения водородных связей. Образуются ассоциаты, состоящие, как минимум из пяти молекул воды (рис.41).
Так как при движении молекул воды водородные связи быстро рвутся, ассоциаты могут разрушаться. Поэтому между отдельными молекулами воды и ассоциатами существует равновесие.
Рис.41. Схема образования ассоциатов из молекул воды
Высокая
полярность
молекул
воды
объясняет
её
высокую
ди-
электрическую проницаемость по сравнению с другими веществами. Для Н2О
она равна 80, а, например, для такого хорошего растворителя как этанол - 24.
Это значит, что силы сцепления в веществе, помещённом в воду, ослабляются в
3,5 раза больше, чем в этаноле. Поэтому вода - прекрасный растворитель. Вещества в водном растворе имеют водную или гидратную оболочку, которая образуется в результате взаимодействия дипольных молекул Н2О с заряженными
группами макромолекул или ионов. Чем больше гидратная оболочка, тем лучше растворимо вещество. Все неорганические и органические соединения, диссоциирующие на ионы, все биологические мономеры (аминокислоты, нуклеотиды, моносахариды, глицерин), все биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды), имеющие полярные группы, растворимы в воде. Так, в простейшей бактериальной клетке на одну молекулу нуклеиновой кислоты приходится около миллиона, на одну белковую молекулу - примерно десять тысяч
молекул воды. Молекулы, содержащие неполярные цепи или отдельные группы, плохо растворимы или нерастворимы в Н2О (высшие жирные кислоты, жиры, стероиды и др.).
232
2. Вода - регулятор теплового баланса организма (сохранение, распределение и отдача тепла). Образованием ассоциатов объясняются аномально высокие температуры кипения, плавления и высокая теплоёмкость воды. Если бы
молекулы воды не объединялись в ассоциаты, то, согласно положению кислорода в периодической системе, t кипения его гидрида была бы равна -80°С, a t
затвердевания -100°С, т.е. нормальное состояние воды в условиях Земли было
бы газообразным жизнь была бы невозможна.
Теплоемкость Н2О более чем в два раза превышает теплоемкость любого
биологического вещества. Поэтому Н2О может долго сохранять тепло при изменении температуры окружающей среды и переносить его на расстояния, что
важно для поддержания температуры организма.
3. Транспортная функция. Низкая вязкость, подвижность, уникальная
стюсобность растворять большое число неорганических и органических соединений обусловливают транспортную функцию Н2О. Она же служит для выведения из организма продуктов распада. Транспорт веществ осуществляется как
в больших масштабах - по кровеносной и лимфатической системе, так и в малых масштабах - через клеточные и внутриклеточные мембраны. Большое поверхностное натяжение воды обеспечивает капиллярные явления, т.е. поднятие
воды с растворёнными в ней веществами от корня растения по тонким каналам
к побегам и, наоборот, от листьев к нижним частям растений (транслирация).
4. Вода выполняет механическую (гидратациоиную) функцию, т.е.
способствует сохранению внутриклеточного давления и формы клеток (туpгop).
5. Структурная функция воды. Например, взаимодействие белков с водой обеспечивает их комформацию с преимущественным расположением гидрофильных групп на поверхности белковой глобулы, а гидрофобных - внутри.
Ещё большее значение имеет вода для структурной организации биологических
мембран и их основы - двойного липидного слоя, в котором гидрофильные поверхности каждого монослоя взаимодействуют с водой, отграничивая от неё
гидрофобное пространство внутри мембраны, между монослоями. Вместе с
другими соединениями она участвует в качестве основного компонента в фор233
мировании единой внутриклеточной структуры. Будучи составной частью субклеточных структур, она может регулировать их функциональную активность:
например, от степени набухания митохондрий зависит активность протекания в
них окислительного фссфорилирования, от насыщения водой рибосом - поддержание их структур и способности осуществлять синтез белка.
6. Синтетическая функция. Вода - непосредственный участник многих
химических реакций. При этом она может играть как анаболическую роль (реакции гидратации и дегидратации, окисления и другие реакции синтеза), так и
катаболическую (реакции гидролиза).
7. Электронодонорная или энергетическая функция воды. Например,
вода - источник электронов при трансформации энергии в хлоропластах.
14.2. Регуляция водно-солевого обмена
Организм человека выделяет в сутки 2,6 л Н2О за счёт испарения через
кожу, с мочой, калом, выдыхаемым воздухом. Между тремя основными бассейнами Н2О в организме существует непрерывный интенсивный обмен.
Например, перемещение жидкости (путём диффузии) через стенки капилляров
в теле человека составляет около 1500 л в 1 мин. В растительных организмах
обмен воды идёт интенсивнее, чем в организмах животных и человека. Например, в течение вегетационного периода одно растение кукурузы или подсолнечника испаряет до 200 кг Н2О. Вода непрерывно доставляется к тканям и отводится от них, проникает в клетки и обратно из них через поры клеточных
мембран диаметром 3-4 Å. Время полуобмена воды в клетках ряда тканей составляет 30-90 с, т.е. гораздо больше, чем для органических молекул или ионов.
Основными параметрами жидкой среды организма являются осмотическое давление (Р), рН и объём внеклеточной жидкости. Осмотическое
давление и рН внеклеточной жидкости и плазмы крови одинаковы, они также
одинаковы для различных органов. С другой стороны, рН может быть различным внутри клеток различных типов и даже в различных субклеточных структурах, что объясняется особенностями метаболизма в различных органах и ор234
ганоидах. Однако значение рН, характерное для данного типа клеток, постоянно; снижение или повышение его приводит к нарушению функций клеток.
Поддержание постоянства внутриклеточной среды обеспечивается постоянством осмотического давления, рН и объёма внеклеточной жидкости. В свою
очередь, постоянство параметров внеклеточной жидкости определяется действием почек и системы гормонов, регулирующих их функцию.
Регуляция осмотического давления и объёма внеклеточной жидкости
Осмотическое давление внеклеточной жидкости зависит от соли NaCl,
которая в этой жидкости в наибольшей концентрации. Поэтому основной механизм регуляции осмотического давления связан с изменением скорости выделения почками либо Н2О, либо NaCl, вследствие чего меняется концентрация.
NaCl в жидкостях тканей, а значит и осмотическое давление. Регуляция объёма
внеклеточной жидкости осуществляется за счёт одновременного изменения
скорости выделения и Н2О и NaCl. Катионы Na+ вызывают накопление воды в
клетках и тканях, а катионы К+ и Са+2 оказывают противоположное действие.
Выделение воды и NaCl почками регулируется антидиуретическими гормонами
- вазопрессином и альдостероном.
Вазопрессин, образуемый задней долей гипофиза в ответ на повышение
осмотического давления внеклеточной жидкости, увеличивает скорость обратного всасывания воды из первичной мочи в почечных канальцах. Тем самым
уменьшается диурез, моча становится более концентрированной. Вазопрессин,
сохраняя необходимый объём жидкости в организме, не влияет на количество
NaCl. Осмотическое давление внеклеточной жидкости при этом уменьшается и
устраняется стимул, который вызвал выделение вазопрессина.
Альдостерон, вырабатываемый в коре надпочечников при снижении концентрации NaCl в крови, увеличивает скорость реабсорбции ионов Na+ (NaCl) в
канальцах нефронов почек. В результате действия альдостерона NaCl задерживается в организме и устраняется стимул, вызвавший секрецию альдостерона.
Избыточная секреция альдостерона и соответственно повышение концентрации
NaCl приводит к повышению осмотического давления внеклеточной жидкости.
235
В ответ на это усиливается секреция вазопрессина, который задерживает в организме воду. В результате накапливаются и NaCl, и Н2О: объём внеклеточной
жидкости увеличивается при сохранении нормального осмотического давления.
При увеличении объема внеклеточной жидкости повышается кровяное давление, эту форму гипертонии называют почечной.
Значительное уменьшение объёма внеклеточной жидкости может стать
причиной нарушения кровоснабжения тканей. При этом нарушаются функции
всех органов, прежде всего головного мозга: возникает состояние шока.
Альдостерон и вазопрессин регулируют водно-солевой обмен на уровне
органа - почек. Однако само соотношение в организме этих гормонов регулируется центральной нервной системой (см. главу 16).
Регуляция рН
Регуляция рН обеспечивается избирательным выделением кислот или
щелочей с мочой; рН мочи поэтому может изменяться в пределах 4,6-8,0.
Значение рН внеклеточной жидкости в норме равно 7,36-7,44. Пределы
отклонения рН от нормы, совместимые с жизнью, до .7,0 при ацидозе, и до 7,8
при алкалозе.
Постоянство рН поддерживается буферными системами внеклеточной
жидкости, изменением лёгочной вентиляции и скоростью выделения кислот через почки. Главным буфером внеклеточной жидкости служит система:
(НСОз)¯ + Н+ ↔ Н2СО3 ↔ H2O + СО2.
Значение рН определяется отношением [НСО3¯] / [CO2]. При рН 7,4 оно
равно 20:1; уменьшение этого отношения приводит к снижению рН (ацидоз),
увеличение - к повышению (алкалоз). Значение отношения [НСО3¯] / [CO2] зависит от изменения как [НСО3¯], так и [CO2] . Концентрация СО2 зависит от
скорости удаления его через лёгкие, поэтому при нарушениях дыхательной
функции могут возникать дыхательный ацидоз или алкалоз. Концентрация
ионов (НСОз)¯ меняется главным образом в результате метаболических нарушений, например, уменьшается при повышении концентрации кетонов (метаболический ацидоз).
236
Почки участвуют в регуляции кислотно-щелочного равновесия, изменяя
выделение ионов водорода Н+. Они выделяются либо в составе недиссоциированных кислот, либо в составе NH4+. Кроме того клетки почек могут поставлять
в кровь дополнительные количества иона (НСОз)¯, образующегося в результате- окисления метаболитов:
метаболиты + О2 → СО2
СО2 + Н2О ↔» H2CO3 ↔ (HCO3)¯ +Н+.
Ионы Н+ выводятся из клеток в канальцы нефрона и выделяются с мочой,
а ионы (НС03)¯ из почечных клеток в форме NaHCO3 переходят в кровь, понижая её кислотность (компенсация ацидоза).
Гормоны непосредственно не участвуют в регуляции рН внеклеточной
жидкости, однако при ряде заболеваний эндокринной системы возникают
нарушения кислотно-щелочного равновесия, например, ацидоз при диабете.
14.3. Минеральный обмен
Минеральные вещества
Минеральные (неорганические) вещества находятся в клетках в виде
ионов. В клетках и внеклеточных жидкостях организма человека основными
катионами являются Na+, К+, Са2+, Mg2+ , среди анионов преобладают РО3¯, CI¯,
SJ42- , HCO3¯. Суммарный положительный заряд катионов равен суммарному
отрицательному анионов, хотя и допускаются некоторые колебания в ту или
иную сторону. Для достижения электронейтральности организму не хватает неорганических анионов. Это компенсируется анионами органических кислот и
кислых белков. Вне клетки для этого требуется ~12% органических анионов, а
внутри клетки ~27%. Концентрации главных катионов и анионов в межклеточной жидкости и плазме крови почти не отличаются. Основным катионом во вне
клеточной среде является ион Na+ (свыше 90% от общей концентрации всех катионов), а из анионов - CI¯, и НСО3¯ (соответственно около 70 и 18%). Внутри
клетки преобладают катионы К+ (75%) и анионы РО3¯ (50%). В табл.18 приведены основные элементы, встречающиеся в организме человека, и указаны их
содержание и биологическая роль.
237
Таблица 18. Содержание и биологическая роль некоторых микроэлементов в организме человека
Элемент Критические
Биологическая роль
Общее содержание
ткани с преэлемента
имущественв цельной мас. доля
ный накоплекрови,
в сухом
нием элег/100 мл веществе
мента
1
2
3
4
5
-6
Бор Щитовидная Участвует в углеводном обмене,
1·10
n·10-4
железа,
усиливает действие инсулина,
4·10-5
n·10-5
5В
костный
уменьшает действие витаминов
мозг
В2 и В12, а также кишечной амилазы и протеина, тормозит окисление адреналина
Фтор Костная
Участвует в формировании ске1·10-5
n·10-3
ткань,
лета, повышает устойчивость зу- 4,5·10-5
n·10-5
9Р
зубы
бов к кариесу, стимулирует кроветворение и иммунитет
Алюми- Печень,
Способствует развитию и регене1·10-6
n·10-4
ний головной
рации эпителиальной, соедини4·10-5
n·10-5
мозг,
тельной и костной ткани; активи13А1
кости
рует ферменты; влияет на активность пищеварительных желез;
препятствует лро-никновению
ионов металла внутрь протоплазмы
Крем- СоединиВлияет на функции поджелудоч- 1,6·10-2
n·10-2
ний
тельная
ной железы и на эластичность
n·10-4
ткань, под- кожи, ускоряет процесс образо14Si
желудочная вания рубцов
железа, почки, мозжечок, волосы
Ванадий Мало изуче- Участвуют в окислительноn·10-4
23 V
ны
восстановительных процессах,
n·10-5
(кровь?)
оказывает влияние на процессы
дыхания и кроветворения
Хром
Волосы, ног- Входит в активный центр фер35·10-6
n·10-4
ти
мента трипсина; активирует
1,2·10-5
n·10-6
24 Cr
окислительные процессы
238
1
Марганец
25Мn
2
Кости, печень, щитовидная железа, гипофиз
3
4
Участвует в формировании скеледо
та в иммунных реакциях, в крове- 2,5·10-5
творении и тканевом дыхании;
влияет на активность многих витаминов, ферментов и гормонов
Входит в состав гемоглобина, уча- 4·10-3
ствует в кроветворении, дыхании
и окислительно-восгановительных
реакциях; недостаток Fe приводит
к анемии
Участвует в синтезе ряда фермен- 3,9 ·10-7
тов (глициндипептидазы, хо1,48·10-6
линэстеразы, ацилазы), гормона
(плазма)
щитовидной железы, витамина
В12,
гемоглобина и др.; стимулирует
кроветворение, деятельность щитовидной железы, регулирует углеводный обмен
Активирует фермент ангидразу,
влияет на окислительные процессы и углеводный обмен; входит в
состав инсулина
5
n·10-4
n·10-5
Входит в состав многих тканевых 6,9 ·10-5
белков и ферментов (лактазы, ти- 1,17·10-4
розиназы, оксидазы и др.); повышает активность некоторых
гормонов; участвует в кроветворении, ферментном окислении, тканевом дыхании, иммунных процессах, пигментации
Печень,
Входит в состав ряда тканевых
5 ·10-4
предстатель- белков и ферментов, активирует 1,275·10-4
ная
гормоны гипофиза, поджелудочже леза,
ной железы и половые; участвует
сетчатка
в кроветворении и деятельности
желез внутренней секреции, содействует удалению из организма
СО2: при дефиците Zn - отставание роста, выпадение волос, угне-
n·10-3
n·10-4
Железо Эритроциты,
селезенка,
26 Fe
печень
Кобальт Печень,
кровь, селе27 Со
зенка, щитовидная железа, костная
ткань, яичники, гипофиз
Никель Поджелудочная желе28Ni
за печень,
гипофиз, кожа, роговица
глаза
Медь
Печень, кости,
29 Си
головной
мозг
Цинк
30 Zn
239
n·10-1
n·10-2
n·10-5
n·10-6
n·10-5
n·10-2
n·10-2
n·10-3
тение половых функций
240
1
2
Мышьяк Печень, селезенка, поч33Аs
ка, эритроциты
Селен Печень, почки, селе34Se
зенка, сердце, роговые
образования,
кровь
Бром
35Br
3
4
Связан с гемоглобином эритроци- 8 ·10-4
тов, в дозах до 0,5 мг улучшает
кроветворение, усвоение азота и
фосфора, ограничивает распад
белков; в значительных дозах ядовит
Вступает во взаимодействие с
белками крови - альбумином, гемоглобином и глобулинами, а
также с инсулином; повышает активность кофермента Q (убихинона); снижает адреналиновую гипергликемию; в повышенных дозах ядовит
Участвует в регуляции деятельно- 2 ·10-4
сти нервной системы, коры надпо- 1,5·10-2
чечников и половых желез; угнетает деятельность щитовидной
железы
Головной
мозг, щитовидная железа, гипофиз,
яичники,
почки
Строн- Костная
Участвует в образовании костной
ций ткань
ткани, усиливает активность фермента фосфатазы
38Sr
Молиб- Печень, почден
ки, надпочечники,
42Мо
белое вещество мозга,
пигментная
оболочка
глаза
Кадмий Печень, почки
48Cd
Олово
48 Sn
Костная
ткань,
печень,
легкие
5
n·10-4
n·10-6
n·10-5
n·10-7
n·10-3
n·10-4
-
n·10-3
n·10-3
Входит в состав тканевых белков
и некоторых ферментов (ксантиноксидазы, альдегид-оксидазы и
др.); ускоряет рост, избыток Мо
приводит к молибденовой подагре
-
n·10-4
n·10-6
Входит в состав инсулина и некоторых ферментов, активирует аргиназу и амилазу, но тормозит
действие редуктазы; влияет на работу печени
Обязательная составная часть костей (0,08%); печени (0,006%) и
легких (0,045%), биологические
функции олова не вполне ясны
Следы
n·10-3
1 ·10-5
5·10-5
n·10-3
n·10-5
241
1
Йод
53I
2
Щитовидная железа,
надпочечники
3
Входит в состав гормона щитовидной железы - тироксина, активизирует функцию щитовидной железы;
влияет на синтез ряда белков и жиров; интенсифицирует окислительно-восстановительные процессы; недостаток йода вызывает гипотериоз и эндемический зоб, избыток
- гипертиреоз и базедову болезнь
Свинец Трубчатые Обязательная составная часть трубкости,
чатых костей (1,83 мг %) и печени
82 Рb
печень
(1,30 мг %); избыток свинца приводит к поражению центральной нервной системы и желудочнокишечного тракта, к нарушению
синтеза гемоглобина
4
2,4·10-6
3,2·10-6
5
n·10-3
n·10-5
5·10-4
1,2·10-5
n·10-3
n·10-5
Для всех живых организмов характерна разница (градиент) концентраций
основных неорганических ионов между внутриклеточной и внеклеточной жидкостями, которые разделены клеточной мембраной. Мембрана обладает избирательной проницаемостью по отношению к отдельным ионам и вообще
непроницаема для крупных макромолекул, таких как, например, белки.
Функции минеральных веществ
Неорганические ионы, или минеральные вещества, выполняют в организме следующие функции:
1. Биоэлектрическая функция. Эта функция связана с возникновением
разности потенциалов на клеточных мембранах. Градиент концентрации ионов
по обе стороны мембраны создаёт в разных клетках потенциал порядка 60-80
мВ. Внутренняя сторона клеточной мембраны относительно наружной заряжена отрицательно. Электрический потенциал мембраны тем выше, чем больше
содержание белка и его ионизация (отрицательный заряд) внутри клетки и концентрация катионов вне клетки (диффузия ионов Na+ и К+ через мембрану
внутрь клетки затруднена). Данная функция неорганических ионов используется для регуляции функций особенно возбудимых клеток (нервных, мышечных)
и для проведения нервных импульсов.
242
2. Осмотическая функция используется для регуляции осмотического
давления. Живая клетка подчиняется закону изоосмополярности: во всех средах
организма, между которыми есть свободный обмен водой, устанавливается
одинаковое осмотическое давление. Если число ионов в какой-то среде возрастает, то вслед за ними устремляется вода, пока не установится новое равновесие
и новый уровень осмотического давления.
3. Структурная функция обусловлена комплексообразующими свойствами металлов. Ионы металлов взаимодействуют с анионными группами белков, нуклеиновых кислот и других макромолекул и тем самым обеспечивают
наряду с другими факторами поддержание определённых конформаций этих
молекул. Поскольку биологическая активность биополимеров зависит от их
конформаций, то нормальное осуществление белками их функций, беспрепятственная реализация информации, заложенной в нуклеиновых кислотах, образование надмолекулярных комплексов, формирование субклеточных структур и
другие процессы немыслимы без участия катионов и анионов.
4. Регуляторная функция заключается в том, что ионы металлов являются активаторами ферментов и тем самым регулируют скорость химических
превращений в клетке. Это прямое регуляторное действие катионов. Косвенное
заключается в том, что ионы металлов часто необходимы для действия другого
регулятора, например, гормона. Приведём несколько примеров. Формирование
активной формы инсулина невозможно без ионов цинка. Третичная структура
РНК в огромной степени определяется ионной силой раствора, а такие катионы,
как Сr2+, Ni2+, Fe2+, Zn2+,Mn2+ и другие, непосредственно участвуют в формировании спиральной структуры нуклеиновых кислот. Концентрация ионов Мg2+
влияет на формирование такой надмолекулярной структуры, как рибосомы.
5. Транспортная функция проявляется в участии некоторых металлов (в
составе металлопротеидов) в переносе электронов или простых молекул.
Например, катионы железа и меди входят в состав цитохромов, являющихся
переносчиками электронов в дыхательной цепи, а железо в составе гемоглобина
связывает кислород и участвует в его переносе.
243
6. Энергетическая функция связана с использованием фосфат-анионов в
образовании АТФ и АДФ (АТФ - основной носитель энергии в живых организмах).
7. Механическая функция. Например, катион Са+2 и фосфат-анион входят в состав гидроксилапатита и фосфата кальция костей и определяют их механическую прочность.
8. Синтетическая функция. Многие неорганические ионы используются
в синтезах сложных молекул. Например, ионы йода I¯ участвуют в синтезе йодтиронинов в клетках щитовидной железы; анион (SО4)2- - в синтезе эфиросерных соединений (при обезвреживании в организме вредных органических спиртов и кислот). Важное значение в механизме защиты от токсического действия
пероксида имеет селен. Он образует селеноцистеин - аналог цистеина, в котором вместо атомов серы атомы селена. Селеноцистеин является составной частью фермента глутатион-пероксидазы, катализирующей восстановление пероксида водорода глутатионом (трипептид - γ-глутамил-цистеинилглицин)
Важно отметить, что в известных пределах возможна взаимозаменяемость некоторых ионов. При недостатке какого-то иона металла он может
заменяться ионом другого металла, близким по физико-химическим свойствам
и ионному радиусу. Например, ион натрия замещается ионом лития; ион кальция - ионом стронция; ион молибдена - ионом ванадия; ион железа - ионом кобальта; иногда ионы магния - ионами марганца.
Благодаря тому, что минеральные вещества активируют действие ферментов, они влияют на все стороны обмена веществ. Рассмотрим, в чём выражается зависимость обмена нуклеиновых кислот, белков, углеводов и липидов
от наличия тех или иных неорганических ионов.
Минеральные вещества и обмен нуклеиновых кислот
Как уже было сказано выше, катионы металлов принимают непосредственное участие в поддержании вторичной и третичной структур ДНК и
РНК. В частности, это катионы Fe2+, Mn2+, Cu2+, Zn2+, Co2+,Ni2+. Предполагают,
что стабилизация структур нуклеиновых кислот достигается благодаря возник244
новению межмолекулярных сшивок через ионы металлов. Аналогично этому
ионы металлов принимают участие в построении нуклеопротеидов, связывая
молекулы белков и нуклеиновых кислот.
Большинство ферментов обмена нуклеиновых кислот являются металлозависимыми. Особенно велика роль Мg2+ , он активирует действие более 10
ферментов нуклеинового обмена. Ионы Са2+ и Ва2+ увеличивают, a Zn2+ уменьшает активность рибонуклеазы. Распад ДНК под действием дезоксирибонуклеазы усиливается в присутствии Мn2+, Са2+, Fe2+ и Со2+. Ионы Мn2+ активируют
фосфодизстеразы, ионы Мо6+ усиливают, а ионы меди тормозят действие ксантиноксидазы.
Интересна роль бора в обмене нуклеиновых кислот. При его отсутствии
сильно тормозится биосинтез нуклеиновых кислот и усиливается их распад
вследствие повышения активности рибонуклеазы. Полагают, что влияние бора
связано с его участием в окислительном фосфорилировании и синтезе нуклеозидтрисросфатов - исходных веществ для биосинтеза нуклеиновых кислот.
Минеральные вещества и обмен белков
Распад и синтез белков зависят от ряда неорганических ионов. Ионы
Mn2+, Fe2+, Со2+, Zn2+, Ni2+ повышают активность пептидгидролаз и аргиназы,
т.е. способствуют деструкции белков. Биосинтез белков идёт при участии
ионов Мg2+ и Мn2+. Ион магния необходим для протекания реакции активации
аминокислот и поддержания целостности рибосом.
Ион Мn2+ обеспечивает осуществление аминоацилтрансферазной реакции
при сборке полипептидной цепи. В процессах обмена аминокислот важную
роль играют ионы Со2+, Мg2+, Мn2+, Fe2+ и др.
Минеральные вещества и обмен углеводов и липидов
В процессе обмена углеводов огромное значение имеют ионы Мg2+: они
активируют большинство ферментов гликолиза. В ряде случаев они могут быть
заменены ионами марганца. Одна из основных реакций гликолиза - окисление
З-фосфоглицеральдегида - протекает при участии Zn2+ . Ионы Са2+ имеют
245
огромное значение для поддержания структуры фермента амилазы, необходимого при переваривании углеводов.
Образование углеводов в процессе фотосинтеза невозможно без участия
ионов Mg2+, Mn2+, Fe2+, Сu2+, In3+, Со2+, В3+.
Распад липидов активируется ионами Са2+, так как эти ионы усиливают
действие ферментов: липазы, фосфолипаз, липопротеинлипаз. Процессы - βокисления ацил-КоА идут активнее в присутствии ионов Сu2 + и Fe2+, а при синтезе ацетил-КоА, фосфохолина и холинфосфатидов необходим Мg2+.
Заключительный этап распада углеводов и липидов - Цикл Кребса осуществляется при участии Мn2+, который активирует почти все ферменты цикла
Кребса. Аналогично в некоторых случаях могут действовать Mg2+,Co2+ и Zn2+.
14.4. Регуляция минерального обмена
Многие минеральные вещества, поступая в живой организм, образуют
там специфические соединения и в таком виде задерживаются и накапливаются
в организме. Причём концентрирование элементов в живой природе видоспецифично и наследственно. Так, например, свыше 150 растительных видов
накапливают литий, плауны - АI, водоросли - йод (в виде производных тирозина), обыкновенный мухомор - селен (в виде Se - цистеина) и т.д. Макроэлементы Са и Р у высших животных и человека образуют фосфат кальция - основу
костной ткани. Сера в большом количестве входит в состав органических соединений (HS - группы аминокислот, пептидов и белков, SO3H группы в гетерополисахаридах). Фосфор также накапливается в виде органических соединений (фосфорные эфиры, фосфопротеиды и др.). Мg, К, Na существуют в организме в ионной форме, нейтрализуясь анионами СI, фосфата, гидрокарбоната.
Мg и Fe содержатся в составе хлорофилла и гемоглобина. Микроэлементы, как
правило, вступают во взаимодействие с белками и нуклеиновыми кислотами.
Минеральные вещества, безполезные для организма, чаще всего не усваиваются. Например, кремнекислоты, содержащиеся в кормовой зелёной массе, совершенно не усваиваются животными.
246
Обмен ряда минеральных веществ протекает очень энергично. Это особенно ярко проявляется, когда элемент выводится из организма в составе какого-либо нормального продукта жизнедеятельности. Например, у млекопитающих большие количества Са и Р выводятся в процессе лактации. Характерной
особенностью обмена минеральных веществ является, с одной стороны, взаимозаменяемость ряда из них (о чём уже говорилось) и антагонизм действия - с
другой. Так, в ферментативных процессах, там где К+, NH4+ или Rb+ - активаторы, Na+, Li+ или Cs+ - ингибиторы. В таких же отношениях находятся Мg2+ и
Са2+, Мn2+ и Zn2+ и т.д.
Минеральные вещества относятся к незаменимым пищевым факторам.
Хотя и возможна относительная взаимозаменяемость некоторых минеральных
веществ, но невозможность их взаимопревращений в организме является причиной незаменимости этих веществ. Суточная потребность взрослого человека
в отдельных минеральных веществах сильно колеблется: от нескольких граммов (макроэлементы) до нескольких миллиграммов или микрограммов (микрои ультрамикроэлементы) (табл. 19).
Таблица 19. Средняя потребность взрослого человека в главных минеральных веществах
Минеральные
Суточная
Минеральные вещества
Суточная
вещества
потребность
потребность
Вода
≈2л
NaCI
≈10 г
Кальций
0,8-1 г
Фосфор
1- 1,5 г
Калий
2,5-5г
Магний
0,3-0,5 г
Железо
15 мг
Цинк
10 -15 мг
Марганец
5-10 мг
Медь
2 мг
Молибден
0,5 мг
Селен
0,5 мг
Иод
0,1-0,2 мг
Регуляция минерального обмена осуществляется центральной нервной
системой по принципу «плюс-минус» межгормональных взаимоотношений (см.
главу 16). Обмен главных минеральных веществ (воды, ионов натрия, калия,
хлора, гидрокарбонат-ионов, фосфат-ионов и др.) регулируется главным образом действием гормонов надпочечников, а именно минералокортикоидов.
247
Глава 15. ВЗАИМОСВЯЗЬ ОБМЕНА БЕЛКОВ, ЖИРОВ,
УГЛЕВОДОВ И НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Процесс обмена белков, жиров, утлеводов, нуклеиновых кислот тесно
взаимосвязан. Эта взаимосвязь осуществляется через ключевые метаболиты,
которые служат общим звеном на путях распада или синтеза мономеров. К таким метаболитам можно отнести пируват, ацетил-КоА, фосфоглицерат, метаболиты цикла Кребса (рис. 42).
Рис. 42. Взаимосвязь основных путей обмена веществ
Из рис. 42 видно, что пируват является точкой пересечения путей распада
и синтеза глюкозы (или других моносахаридов) и некоторых аминокислот.
Более разветвленный узел метаболических связей представляет собой
Ацетил-КоА - через него открывается путь превращения аминокислот (т.е. белков) и глюкозы (т.е. вообще углеводов) в липиды.
248
Как бы вспомогательным связующим звеном между углеводами и липидами служит фосфоглицерат. Через него происходит взаимопревращение углеводов и липидов.
Обширные возможности для взаимопревращения одних мономеров в другие представляют промежуточные продукты цикла Кребса. Через цикл Кребса
сообщаются все основные пути распада и синтеза веществ. Ацетил-КоА, образующийся в процессе обмена углеводов, жиров и ряда аминокислот, поступает
в цикл Кребса, где для его окисления требуется щавелево-уксусная кислота (оксалоацетат). Она может образоваться при карбоксилировании пировиноградной
кислоты (пирувата) или в процессе трансаминирования аспарагиновой кислоты.
Мономеры - структурные звенья биополимеров, поэтому возможна в
определенных рамках относительная взаимозаменяемость белков, углеводов и
липидов пищи. Границы взаимозаменяемости определяют прежде всего аминокислоты. Восемь незаменимых аминокислот не могут синтезироваться в организме человека и других млекопитающих, да и синтез двух полузаменимых
кислот ограничен. Поэтому аминокислоты (прежде всего незаменимые) являются первичными по отношению к остальным биомолекулам, и с их возникновения, возможно, и началась эволюция живых систем.
Совершенно очевидно (см. рис. 42), что если потребляются в достаточном
количестве и качестве белки и углеводы, то организм долго может обходиться
без липидов. Аминокислоты и углеводы служат источником Ацетил-КоА, а углеводы - еще и источником (НАДФ.Н+Н+), что позволяет синтезировать липиды в нужном количестве.
Схема, представленная на рис. 35, показывает, почему организму человека вообще не требуется поступления с пищей пуриновых и пиримидиновых
нуклеотидов (структурных мономеров нуклеиновых кислот) - при наличии в
пище белков и углеводов они синтезируются в необходимых количествах. Следовательно, белки и углеводы позволяют длительное время обеспечивать образование жизненно важных компонентов тканей организма и его нормальную
деятельность. Конечно, это возможно, если с белками и углеводами поступают
249
и такие компоненты пищи, как витамины, вода и минеральные вещества. С другой стороны, человек может долго обходиться без углеводов, если в достаточном количестве поступают остальные компоненты пищи.
Таким образом, преобладание распада одних и биосинтеза других пищевых веществ определяется, прежде всего, физиологическим состоянием и потребностями организма в энергии и метаболитах.
250
Глава 16. ГОРМОНЫ, НЕРВНО-ГОРМОНАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ
ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ
16.1. Понятие о гормонах. Основные принципы регуляции обмена
веществ
Одной из уникальных особенностей живых организмов является их слособносгь сохранять постоянство гомеостаза (постоянство многих свойств организма при постоянных условиях среды) при помощи механизмов саморегуляции, в координации которых одно из главных мест принадлежит гормонам.
Гормоны - это биологически активные вещества органической природы, вырабатывающиеся в клетках желез внутренней секреции и оказывающие регулирующее влияние на обмен веществ.
В результате действия механизмов саморегуляции, а именно нервногормональных механизмов, в живой клетке достигается согласование скоростей
всех химических реакций и физико-химических процессов друг с другом, обеспечивается координация функций всех органов и адекватная реакция организма
на изменения внешней среды. В регуляции процессов обмена веществ гормоны
занимают промежуточное положение между нервной системой и действием
ферментов, т.е. регуляция обмена веществ реализуется путем изменения скорости ферментативных реакций. Гормоны вызывают либо очень быструю реакцию, либо наоборот медленную реакцию, связанную с синтезом необходимого
фермента заново. Таким образом, нарушения синтеза и распада гормонов, обусловленные, например, заболеваниями эндокринных желез, приводят к изменению нормального синтеза ферментов и, следовательно, к нарушению обмена
веществ и энергии.
В механизмах саморегуляции можно выделить три уровня.
Первый уровень - внутриклеточные механизмы регуляции. Сигналами
для изменения состояния клетки служат различные метаболиты. Они могут:
- изменять активность ферментов путем их ингибирования или активации;
251
- изменять количество ферментов путем регулирования их синтеза и распада;
- изменять скорость трансмембранного перекоса веществ. Межорганная
координация этого уровня регуляции обеспечивается передачей сигналов двумя
путями: через кровь с помощью гормонов (эндокринная система) и через нервную систему.
Второй уровень регуляции - эндокринная система. Гормоны освобождаются в кровь на специфический стимул, которым может быть нервный
импульс или изменение концентрации какого-то метаболита в крови, протекающей через эндокринную железу (например, снижение концентрации глюкозы). Гормон транспортируется с кровью и, достигая клеток мишеней, модифицирует в них обмен веществ через внутриклеточные механизмы. При этом происходит изменение обмена веществ и устраняется стимул, вызвавший освобождение гормона. Выполнивший свою функцию гормон разрушается специальными ферментами.
Третий уровень регуляции - нервная система с рецепторами сигналов как
внешней среды, так и внутренней. Сигналы трансформируются в нервный импульс, который в синапсе с клеткой-эффектором вызывает освобождение медиатора - химического сигнала. Медиатор через внутриклеточные механизмы регуляции вызывает изменение обмена веществ. Клетками-эффекторами могут
быть и эндокринные клетки, отвечающие на нервный импульс синтезом и выделением гормонов.
Все три уровня регуляции тесно взаимосвязаны и действуют как единая
нервно-гормональная или нейро-гуморальная система регуляции (рис. 43).
Поток информации о состоянии внешней и внутренней среды организма
поступает в нервную систему, где перерабатывается, а в ответ посылаются регуляторные сигналы к периферическим органам и тканям. Под прямым контролем нервной системы находятся мозговое вещество надпочечников и гипоталамус. Нервные импульсы, поступающие от различных отделов головного мозга,
влияют на секрецию клетками гипоталамуса нейропептидов - либеринов и ста252
тинов, регулирующих выделение тропных гормонов гипофиза. Либерины стимулируют синтез и выделение тройных гормонов, а статины - ингибируют.
Тройные гормоны гипофиза влияют на секрецию гормонов в периферических
железах. Образование и секреция гормонов периферическими железами происходит непрерывно. Это необходимо для поддержания нужного уровня их в крови, так как они быстро инактивируются и выделяются из организма.
Рис. 43. Схема нервно-гормональной регуляции (сплошные стрелки означают
синтез гормонов, а пунктирные - влияние гормона на органы-мишени)
Концентрация гормонов в крови невелика: порядка 10-6 – 10-11 моль/л.
Время полужизни, в основном, несколько минут, для некоторых - десятки минут, очень редко - часы. Требуемый уровень гормона в крови поддерживается
за счет механизма саморегуляции по принципу «плюс-минус» межгормональных взаимоотошений. Тропные гормоны стимулируют образование и секрецию
гормонов периферическими железами (знак "+"), а последние по механизму отрицательной обратной связи угнетают (знак "-") образование тропных гормонов, действуя через клетки гипофиза (короткая обратная связь) или нейро253
секреторные клетки гипоталамуса (длинная обратная связь), рис.44. В последнем случае угнетается секреция либеринов в гипоталамусе.
Кроме того существует метаболитно-гормональная обратная связь: гормон, действуя на обмен веществ в тканях, вызывает изменение содержания в
крови какого-либо метаболита, а тот по механизму обратной связи влияет на
секрецию гормонов в периферических железах или непосредственно (внутриклеточный механизм), или через гипофиз и гипоталамус (см. рис. 44). Такими
метаболитами являются глюкоза (индикатор состояния углеводного обмена),
аминокислоты (индикатор состояния белкового обмена), нуклеотиды и нуклеозиды (индикаторы состояния нуклеинового и белкового обмена), жирные кислоты, холестерин (индикаторы состояния липидного обмена); Н2О, Са2+, Na+,
К+, СI¯ и некоторые другие ионы (индикаторы состояния водно-солевого баланса).
16.2. Классификация гормонов
Гормонам присущи следующие общие биологические признаки:
1) дисгантность действия, то есть они регулируют обмен и функции
зффекторных клеток на расстоянии;
254
2) строгая специфичность биологического действия, то есть один гормон
нельзя целиком заменить другим;
3) высокая биологическая активность - достаточно очень малых количеств, порой десятка микрограмм, чтобы сохранить жизнь организма.
Гормоны классифицируются по:
1) химической природе;
2) механизму передачи сигнала в клетку - мишень;
3) биологическим функциям.
Все типы классификации несовершенны и носят несколько условный характер, особенно классификация по функциям, так как многие гормоны полифункциональны.
По химическому строению гормоны делят следующим образом:
1) белково-пептидные (гормоны гипоталамуса, гипофиза, поджелудочной
и паращитовидной желез, кальциотонин щитовидной железы);
2) производные аминокислот (адреналин - производное фениланина и тирозина);
3) стероиды (половые гормоны - андрогены, эстрогены и гестагены, кортикостероиды).
По биологическим функциям гормоны делят на следующие группы:
1) регулирующие обмен углеводов, жиров, аминокислот - инсулин, глюкагон, адреналин, глюкокортикостероиды (кортизол);
2) регулирующие водно-солевой обмен - минераллокортикостероиды
(альдостерон), антидиуретический гормон (вазопрессин);
3) регулирующие обмен кальция и фосфатов - паратгормон, кальцитонин,
кальцитриол;
4) регулирующие обмен веществ, связанный с репродуктивной функцией
(половые гормоны) - эстрадиол, прогестерон, тестостерон.
5) регулирующие функции эндокринных желез (тройные гормоны) - кортикотропин, тиротропин, гонадотропин.
255
В эту классификацию не включены соматотропин, тироксин и некоторые
другие гормоны, которые оказывают полифункциональное действие.
Кроме того, помимо гормонов, выделяющихся в кровь и действующих на
органы, удаленные от места синтеза гормона, существуют еще гормоны местного действия, регулирующие обмен веществ в тех органах, где они образуются. К ним относят гормоны желудочно-кишечного тракта, гормоны тучных клеток соединительной ткани (гепарин, гистамин), гормоны, выделяемые клетками
почек, семенных пузырьков и других органов (простагландины) и т. д.
16.3. Общие представления о действии гормонов
Различают три возможных варианта механизма действия гормонов.
Мембранный, или локальный, механизм - заключается в том, что гормон в месте связывания с клеточной мембраной изменяет ее проницаемость для
метаболитов, например, глюкозы, аминокислот, некоторых ионов. Поступление
глюкозы, аминокислот оказывает, в свою очередь, влияние на биохимические
процессы в клетке, а изменение распределения ионов по обе стороны мембраны
влияет на электрический потенциал и функцию клеток. Мембранный тип действия гормонов редко встречается в изолированном виде. Например, инсулин
обладает как мембранным (вызывает местные изменения транспорта ионов,
глюкозы и аминокислот), так и мембранно-внутриклеточным типом действия.
Мембранно-внутриклеточный тип действия (или косвенный) характерен для гормонов, которые, не проникают в клетку и поэтому влияют на обмен
веществ через внутриклеточный химический посредник, который и является
полномочным представителем гормона внутри клетки. Гормон через мембранные рецепторы влияет на функцию сигнальных систем (обычно это ферменты),
запускающих образование или поступление внутриклеточных посредников. А
последние, в свою очередь, влияют на активность и количество разных ферментов и тем самым изменяют обмен веществ в клетке.
Цитозольный механизм действия характерен для липофильных гормонов, способных проникать через липидный слой мембраны внутрь клетки, где
256
они вступают в комплекс с цитозольными рецепторами. Этот комплекс регулирует количество ферментов в клетке, избирательно влияя на активность генов
хромосом ядра, и тем самым изменяют обмен веществ и функции клетки. Подобный тип действия гормона называется прямым, в отличие от мембранновнутриклеточного, когда гормон регулирует обмен веществ лишь косвенно, через внутриклеточные посредники.
16.4. Гормоны щитовидной и паращитовидных желез
Гормоны щитовидной железы
Щитовидная железа секретирует две группы гормонов с разным влиянием на обмен веществ. Первая группа - йодтиронины: тироксин и трийодтиронин. Эти гормоны регулируют энергетический обмен и влияют на деление и
дифференцировку клеток, определяя развитие организма. Йодтиронины действуют на многие ткани организма, но в наибольшей степени на ткани печени,
сердца, почек, скелетных мышц и в меньшей степени на жировую и нервную
ткани.
При гиперфункции щитовидной железы (гипертиреозе) наблюдается избыточное образование йодтиронинов. Характерным признаком тиреотоксикоза
является ускоренный распад углеводов и жиров (мобилизуются из жировых депо). Быстрое сгорание жирных кислот, глицерина и продуктов гликолиза требует большого расхода кислорода. Митохондрии увеличиваются в размерах,
набухают, меняется их форма. Поэтому иногда тиреотоксикоз называют «болезнью митохондрий». Внешне гипертериоз проявляется в виде следующих
симптомов: увелечение основного обмена, повышение температуры тела (повышенная теплопродукция), похудание, выраженная тахикардия, повышенная
нервная возбудимость, пучеглазие и др. Снимаются эти нарушения или хирургическим удалением части щитовидной железы, или с помощью препаратов,
угнетающих ее деятельность.
При гипофункции (гипотиреозе) щитовидной железы имеется недостаток
йодтиронинов. Гипотериоз в раннем детском возрасте называется кретинизмом
257
или микседемой детей, а у взрослых - просто микседемой. Кретинизм характеризуется выражейной физической и умственной отсталостью. Это объясняется
снижением действия йодтиронинов на деление клеток и их дифференцировку,
что влечет за собой замедленный и неправильный рост костной ткани, нарушение дифференцировки нейронов. У взрослых микседема проявляется в снижении основного обмена и температуры тела, ухудшении памяти, нарушении
кожных покровов (сухость, шелушение) и др. В тканях организма снижен обмен углеводов и жиров и все энергетические процессы. Гипотериоз устраняется
лечением препаратами йодтиронинов.
Ко второй группе относится кальциотонин (белок с молекулярной массой
30000), он регулирует фосфорно-кальциевый обмен, его действие рассмотренно
ниже.
Гормоны паращитовидных желез
В паращитовидных железах образуются два белковых гормона - кальциотонин (как и в щитовидной железе) и паратгормон (молекулярная масса 3500).
Оба гормона регулируют фосфорно-кальциевый обмен: паратгормон повышает
уровень кальция и снижает уровень неорганических фосфатов в крови, а кальциотонин снижает содержание в крови и кальция, и фосфатов.
Гипофункция желез, или гипопаратериоз, встречается редко и характеризуется повышенной возбудимостью нервно-мышечной системы (судороги).
Причина этого заключается в низком содержании ионов Са2+ в крови и межклеточной жидкости, что облегчает деполяризацию мембран, вызываемую током
ионов Na+ внутрь клеток, и увеличивает возбудимость нервных и мышечных
клеток. Устраняются эти симптомы введением препаратов кальция и паратгормона или витамина D.
Гиперфункция, или гиперпаратиреоз, возникает при повышенном образовании паратгормона или его неправильном применении. Симптомами гиперпаратиреоза являются: мобилизация кальция из костей, вплоть до рассасывания
отдельных участков костей, что приводит к самопроизвольным переломам. В
крови резко повышается содержание Са2+ и снижается содержание фосфора.
258
Кальций начинает оседать во внутренних органах и тканях, что приводит к
кальцификации сосудов, почек, желудочно-кишечного тракта и т. д.
16.5. Гормоны поджелудочной железы
В тканях островков Лангерганса поджелудочной железы вырабатываются
глюкагон, инсулин, соматостатин, а также секретируется гормон местного действия - панкреатический полипептид.
Панкреатический полипептид, состоящий из 36 аминокислот, действует
на желудочно-кишечный тракт, стимулируя выделение ферментов слизистой
желудка и поджелудочной железой. Кроме того, он тормозит перистальтику
кишечника и расслабляет желчный пузырь.
Соматостатин, первоначально выделенный из гипоталамуса, угнетает выделение соматотропина гипофизом и секрецию глюкагона, гастрина и, возможно, инсулина поджелудочной железой. Уменьшая выделение глюкагона и соматотропина, соматостатин положительно влияет на обмен веществ при сахарном
диабете.
Глюкагон является белком (молекулярная масса 3485 Да), его секреция
усиливается при повышении содержания Са2+ и аргинина в крови и тормозится
глюкозой и соматостатином. Глюкагон действует прежде всего на печень, жировую ткань и меньше - на мышцы, вызывая мобилизацию гликогена (гликогенолиз) в печени и отчасти в скелетных мышцах и в жировой ткани. Кроме того,
этот гормон тормозит синтез белка в печени и облегчает катаболизм белков до
аминокислот, использующихся при образовании мочевины и в глюконеогенезе.
В результате повышается в крови содержание глюкозы (следствие гликогенолиза и глюконеогенеза), жирных кислот и глицерина. В целом все происходящие изменения в обмене веществ при действии глюкагона напоминают признаки сахарного диабета.
Инсулин, поступающий в кровь, находится в свободной и в связанной с
белками плазмы формах. Свободный инсулин влияет на метаболизм всех инсулиночувствительных тканей, а связанный - только на жировую ткань. К инсу259
линочувствительным тканям относятся мышечная и соединительная (в том
числе и жировая) ткани. Секреция инсулина усиливается глюкозой и Са2+, аргинином и лейцином, соматотропином; тормозится соматостатином, но меньше, чем секреция глюкагона. Инсулин действует на ткани через мембранные
рецепторы. Комплекс инсулин - рецептор резко изменяет проницаемость клеточных мембран для глюкозы, аминокислот, ионов Са2+, К+, Na+, а именно
ускоряет транспорт внутрь клеток глюкозы, аминокислот, ионов К+,Са2+. Инсулин через ферментную систему тормозит гликогенолиз, глюконеогенез, липолиз и облегчает синтез белка. Таким образом, инсулин регулирует углеводный,
липидный, белковый и минеральный обмены, по показателям которых судят о
действии инсулина.
Инсулин снижает концентрацию глюкозы, аминокислот, жирных кислот,
глицерина и ионов К+ в крови, а также уменьшает потерю с мочой К+ и аминокислот. В целом действие инсулина анаболитическое.
Избыток инсулина (гипогликемия) возникает при опухолях островков
Лангерганса или при передозировке инсулина. При этом все изменения обмена
веществ, указанные выше, усилены. Следствием этого могут быть обморочные
состояния, а в крайнем случае - судороги и смертельный исход. Устраняется,
гипогликемия глюкозой и гормономи, вызывающими гипергликемию (глюкагон, адреналин).
Дефицит инсулина (гипергликемия) приводит к сахарному диабету очень широко распространенному заболеванию. При сахарном диабета заметно
преобладают катаболические реакции над анаболическими. Взамен глюкозы,
которая плохо усваивается в инсулиночувствительных тканях, в организме мобилизуются липиды и усиливается сгорание жирных кислот. В результате в
крови увеличивается содержание глюкозы, аминокислот, жирных кислот, глицерина, холестерина, кетоновых тел. Повышенное содержание кетонов вызывает снижение рН крови, что может привести к смертельному исходу.
260
16.6. Гормоны надпочечников
В мозговом веществе надпочечников образуются адреналин и норадреналин. Секреция адреналина усиливается при понижении глюкозы в крови, при
стрессах. В целом адреналин действует подобно глюкагону на адреналинозависимые органы-мишени: жировую ткань, скелетные мышцы, печень. Происходят
такие же изменения углеводного и липидного обменов, как и под влиянием
глюкагона, т.е. усиливается липолиз и гликогенолиз. Адреналин действует также на сердечно-сосудистую систему. Он учащает ритм сердечных сокращений
и их силу, повышает кровяное давление, расширяет мелкие артериолы. Кроме
того, адреналин расслабляет гладкие мышцы кишечника, бронхов, матки. Адреналин в медицинской практике используется редко: как средство, стимулируёщее сердечные сокращения, повышающее кровяное давление и (вместе с глюкозой) для повышения уровня глюкозы в крови (при передозировке инсулина).
В коре надпочечников, из холестерина образуются стероидные гормоны кортикостероиды, которые делят на три группы:
1) глюкокортикоиды, действующие на углеводный обмен;
2) минералокортикоиды, действующие на минеральный обмен;
3) половые гормоны (мужские-андрогены, женские-эстрогены), выделяющиеся в небольших количествах по сравнению с первыми двумя группами.
Действие глюкокортикоидов. Секреция глюкокортикоидов - кортизона
(гидрокортизона) и кортикостерона находится под контролем кортикотропина.
Выброс кортикотролина из гипофиза является типичным ответом на стресс. Это
влечет за собой выделение в кровь глюкокортикоидов, которые, в свою очередь, облегчают выделение адреналина. По механизму отрицательной обратной
связи глюкокортикоиды тормозят выделение кортикотропина. Органамимишенями для глюкокортикоидов являются печень, почки, лимфоидная ткань
(селезенка, лимфоузлы, лимфоидные бляшки кишечника, лимфоциты, тимус и
др.), соединительная ткань (кости, подкожная соединительная ткань, жировая
соединительная ткань и др.), скелетные мышцы. В этих тканях имеются цитозольные рецепторы глюкокортикоидов. Комплекс гормон - рецептор поразному
261
влияет на различные ткани. В печени и почках он усиливает синтез белков, в
остальных тканях - наоборот, а в лимфоидной ткани вызывает ее распад (лимфоцитолиз). В результате лимфоцитолиза в кровь поступают аминокислоты,
которые используются в печени и почках на синтез белка и в глюконеогенезе.
Так как глюкокортикоиды усиливают выделение адреналина из мозгового вещества надпочечников, то тем самым они влияют на обмен жиров, вызывая через адреналин их мобилизацию. Это приводит к повышению в крови содержания глицерина, жирных кислот. Первый используется в глюконеогенезе, а вторые, сгорая в печени, идут на образование кетоновых тел.
Таким образом, в результате действия глюкокортикоидов в крови увеличивается концентрация глюкозы, аминокислот, жирных кислот, глицерина, кетонов, т.е. появляются симптомы, аналогичные сахарному диабету. Такой диабет называют «стероидным».
В некоторой степени глюкокортикоиды влияют и на водно-минеральный
обмен: повышают выделение К* в почках и задерживают Na+ , а с ним и воду во
внеклеточных пространствах (что вызывает отеки). Это действие сходно с действием минералокортикоидов, только более слабое. Торможение синтеза белков
костной ткани приводит к рассасыванию ее отдельных участков. Кальций и
фосфор поступают из них в кровь и теряются с мочой.
Глюкокортикоиды широко применяются в практике, основой их лечебного эффекта служит влияние на лимфоидную и соединительную ткани. Лимфоидная ткань участвует в образовании антител в ответ на инфекцию или поступление в организм чужеродных веществ. При повторном контакте с чужеродным
веществом происходит взаимодействие его с антителами, что вызывает чрезмерно бурную реакцию организма, которую называют аллергией. Аллергия вызывает воспаление, сопровождающееся местными нарушениями сосудистой
проницаемости и повреждением тканей. Разрушенные участки тканей замещаются соединительной тканью, образуются рубцы, деформирующие органы.
Глюкокортикоиды, подавляя образование антител в лимфоидной ткани, уменьшают чрезмерную чувствительность организма (сенсибилизацию) к чужерод262
ным веществам, развитие аллергии и воспаления, мешающих нормальной работе органов.
Действие минералокортикоидов. Секреция минералокортикоида - альдостерона регулируется ионами К+ и Na+. При низком содержании Na+ или повышенном – К+ в крови усиливается секреция альдостерона. Альдостерон регулирует баланс в организме жизненно необходимых ионов Na+, К+, СI¯ , воды,
поэтому без него невозможна нормальная жизнедеятельность организма. Мишенями для альдостерона служат клетки эпителия дистальных канальцев почек,
содержащие много циторецепторов для гормона. Комплекс альдостерон - циторецептор действует так, что усиливается реабсорбция Na+ и его противоиона СI¯ из мочи в межклеточную жидкость и далее в кровь. Одновременно выделяется в мочу К+ (в обмен на Na+) из эпителия канальцев. Таким образом, альдостерон вызывает задержку в организме Na+, СI¯ и воды (вода удерживается Na+
вторично) и потерю с мочой К+.
Гиперфункция коры надпочечников (гиперкортицизм) может проявлятся
в разных формах. Например, избыточное образование глюкокортикоидов (болезнь Иценко-Кушинга), являющееся следствием поражения гипоталамогипофизарной системы, проявляется в виде следующих симптомов: атрофия
подкожной соединительной ткани, стероидный диабет, остеопороз (пустоты в
костях), гипертония (за счет усиления секреции адреналина и норадреналина).
Избыточное образование альдостерона (болезнь Конна) приводит к
нарушению водно-солевого обмена. Симптомы: отеки, повышение кровяного
давления, повышенная возбудимость миокарда. Если человек употребляет много соли, то развивается так называемая «солевая» гипертония.
Гипокортицизм (Аддисонова или бронзовая болезнь) проявляется следующими признаками: снижение устойчивости организма к стрессам и инфекциям, гипогликемия (недостаток глюкокортикоидов); потеря Na+ и воды, накопление К+ в организме, что вызывает гипотонию, мышечную слабость вплоть до
бессилия. При гипокортицизме больные погибают из-за нарушений водносолевого баланса.
263
Половые гормоны рассматриваются ниже.
16.7. Гормоны половых желез
Половые железы (гонады) - парные органы, представленные у мужчин
семенниками, у женщин - яичниками. Мужские половые гормоны - андрогены,
женские - эстрогены. И те, и другие синтезируются из холестерина и в соответствующих количествах имеются и у мужчин, и у женщин.
Секреция половых гормонов контролируется гипофизарными гормонами
- гонадотропинами: фоллитропином, лютропином и пролактином.
По достижении половой зрелости у мужчин выделяются фоллитропин,
регулирующий образование сперматозоидов, и лютропин, регулирующий образование андрогенов (тестостерона); тестостерон по механизму отрицательной
обратной связи угнетает секрецию лютропина гипофизом. Пролактин у мужчин
остается в связанном состоянии в гипофизе и в норме не секретируется.
У женщин секретируются все гонадотропины, причем циклически. Это
задает тон циклическим процессам в организме женщины, которые называют
«половой цикл». Половой цикл включает два тесно связанных и протекающих
одновременно процесса: яичниковый цикл (процессы в яичниках) и маточный
или менструальный цикл (процессы в матке). Чаще всего продолжительность
полового цикла 26-28 дней.
Женские половые гормоны - эстрогены (эстрон, эстрадиол, эстриол)
обеспечивают протекание следующих физиологических процессов: 1) развитие
органов половой сферы (яйцеводов, матки, влагалища), обеспечивающих детородную функцию женщин; 2) формирование вторичных половых признаков в
период полового созревания; 3) регуляцию полового цикла; 4) формирование
полового инстинкта и психического статуса женщины; 5) протекание беременности и родового акта, развитие молочных желез и подготовку их к лактации в
период беременности.
Дефицит эстрогенов до периода полового созревания приводит к задержке развития (инфантильности) органов половой сферы, формирования вторич264
ных половых признаков, к нарушению половых циклов. Кроме того, имеет место отрицательный азотистый баланс, потеря кальция и фосфатов.
Мужские половые гормоны секретируются под действием гипофизарного
гормона - лютропина. Это главным образом тестостерон и его производное дигидротестостерон. Оба андрогена активные, но первый в большей степени в
мышцах, а второй - в простате, семенных пузырьках. Отражением регуляторного действия андрогенов является увеличение биосинтеза белков в тканях, т. е.
положительный азотистый баланс организма. Развивается мощная скелетная
мускулатура, весь формирующийся в период полового созревания скелет становится более массивным, увеличивается синтез белков в почках и печени, развиваются мужские половые органы и добавочные половые железы (простата,
семенные пузырьки), идет развитие вторичных половых признаков (рост волос
на лице и теле, формирование характерного мужского тембра голоса).
Дефицит андрогенов в организме (евнухоизм) сопровождается недоразвитием половых органов и вторичных половых признаков, отсутствием полового влечения, запаздыванием процессов окостенения эпифизов костей (удлинение конечностей), атрофией скелетной мускулатуры, чрезмерным отложением
жира, нарушением корковых процессов торможения.
16.8. Гормоны гипоталамо-гипофизарной системы
В передней, и средней доле гипофиза образуются тропные гормоны, задняя доля секретирует только нейрогормоны (вазопрессин и окситоцин).
По химическому строению тиреотропин, фоллитропин, лютропин - гликопротеиды. Остальные гормоны - простые белки, имеющие одну полипептидную цепь, а вазопрессин и окситоцин - циклические октапептиды.
Секреция тройных гормонов контролируется пептидами гипоталамуса. В
настоящее время выделены следующие гипоталамические нейропептиды - регуляторы секреции гормонов гипофиза:
Тропный гормон
соматотропин
кортикотропин
-
Нейропептид гипоталамуса
соматолиберин, соматостатин
кортиколиберин
265
тиреотропин
фоллитропин
лютропин
пролактин
меланотропин
-
иреолиберин
фоллилиберин
люлиберин
пролактолиберин, пролактостатин
миланолиберин, меланостатин
Все тропные гормоны контролируют функции периферических желез или
действуют непосредственно на периферические ткани после связывания со своими мембранными рецепторами.
Эффекты, вызываемые гипофизарными гормонами, можно разделить на
четыре группы:
1) регуляция биосинтеза и секреции гормонов периферическими железами (тиреотропин, фоллитропин, лютропин, пролактин, кортикотропин, соматотропин);
2) влияние на образование половых клеток (фоллитропин);
3) регуляция функции и метаболизма исполнительных тканей и органов
(соматотропин, липотропин, кортикотропин, лютропин, фоллитропин, меланотропин, пролактин, окситоцин, вазопрессин);
4) регуляция функции нервной системы (кортикотропин, лигпотропин и
др.)
Первые две функции упоминались выше при рассмотрении гормонов периферических желез. Остановимся кратко на вопросе прямого влияния гипофизарных гормонов на периферические ткани.
Кортикотропины оказывают прямое действие на жировую ткань, стимулируя поглощение ею глюкозы и освобождение жирных кислот глицерина.
Кроме того, кортикотропин обладает сходным с меланотропином действием на
образование меланина и пигментацию кожи.
Липотропины оказывают жиромобилизующее действие.
Гонадотропины оказывают действие, аналогичное липотропинам. Кроме
того, пролактин стимулирует синтез белков и лактозы эпителием молочных желез.
266
Вазопрессин (антидиуретический гормон) помимо жиромобилизующего
действия оказывает избирательное влияние на реабсорбицию воды в дистальных канальцах и собирательных трубках почек. Реабсорбация воды снижает
диурез, повышает концентрацию натрия и хлоридов в моче и ее плотность. Вазопрессин вызывает сокращение сосудов мышечного типа и умеренно повышает кровяное давление. При недостатке вазопрессина возникает несахарный диабет, для которого характерно выделение большого количества мочи (4-10л в
сутки) низкой плотности (1,002-1,00бг/см3), развивается жажда. Лечат это заболевание препаратами вазопрессина.
Окситоцин стимулирует сокращение матки, повышает синтез белка в молочной железе при лактации (отчасти этим свойством обладает и вазопрессин)
и отделение молока за счет повышения сократительной активности эпителия
молочных хоцов. Окситоцин оказывает инсулиноподобное действие на жировую ткань, повышая потребление глюкозы и синтез жиров в ней.
Меланотропин образуется в средней доле гипофиза и влияет на образование меланина в коже, радужке и пигментном эпителии сетчатки глаза. Оказывает жиромобилизующие действие на жировую ткань.
Соматотропин (гормон роста) является единственным гормоном, имеющим видовую специфичность биологического действия. Соматотропин животных не действует на человека. Данный гормон стимулирует деление клеток
хрящей, рост костей в длину, а также увеличение массы внутренних органов и
мягких тканей лица и ротовой полости. Соматотропин оказывает прямое и косвенное влияние на периферические ткани.
Прямое действие его связано с активированием соответствующих ферментов (например, в мышцах и в островковой ткани поджелудочной железы),
изменяющих ход обмена веществ или стимулирующих синтез гормонов. Так, в
островках поджелудочной железы соматотропин стимулирует выделение глюкагона (в большей степени) и инсулина (в меньшей степени).
Косвенное влияние соматотропина связано с тем, что он вызывает образование рострегулирующих полипептидов - соматомединов. Они выделяются в
267
кровь и проявляют свойства, характерные для соматотропина. Всего обнаружено семь доцгомединов (3 группы). Соматомедины группы A (Al, А2) и С усиливают деление хрящевых клеток, синтез ДНК, РНК, белка. Соматомедин С кроме этого действует на жировую и мышечную ткани подобно инсулину. Соматомедины В (4 вида) усиливают синтез ДНК и белка в клетках нервных тканей.
В целом соматотропин оказывает выраженный анаболический эффект.
При дефиците соматотропина в молодом возрасте происходит преждевременная остановка роста (карликовость). Рост взрослого карлика 100-120 см. В отличие от карликовости, развивающейся при гипотериозе, у гипофизарных карликов телосложение остается пропорциональным, нет умственной отсталости.
Гиперсекреция соматотропина в молодом возрасте проявляется в виде гигантизма, а в зрелом возрасте возникает заболевание - акромегалия. Ее симптомы: увеличение выступающих частей лица (нос, подбородок, надбровные дуги)
и мягких тканей и ротовой полости (язык), увеличение в размерах отдельных
пальцев рук, ног или кистей в целом.
Практическое применение среди пептидов гипоталамуса нашли препараты соматостатина, вазопрессина, окситоцина. Соматостатин используется для
лечения сахарного диабета. Препараты вазопрессина применяют для лечения
несахарного диабета, а окситоцин - для стимуляции сокращений матки при родах.
Все тропные гормоны гипофиза, за исключением соматотропина и тиреотропина, применяются в клинической практике. Кортикотропин - для стимуляции функции коры надпочечников и при тех же состояниях, что и глюкокортикоиды, секрецию которых он стимулирует. Аналоги фоллитропина и лютропина используются для нормализации циклической деятельности яичников у
женщин и при гипофункции семенников у мужчин. Пролактин применяется для
стимуляции процесса лактации у женщин.
16.9. Гормоны тимуса и эпифиза
268
Тимус секретирует лимфоидные клетки, идущие в лимфатические узлы и
селезенку, а также гормоны, влияющие на скорость развития и созревание
предшественников лимфоидных клеток. Таким образом, тимус имеет отношение к формированию и деятельности иммунной системы организма. Йодтиронины, эстрогены и, возможно, инсулин, а также вещества, усиливающие их
секрецию, стимулируют образование тимусных гормонов. Глюкокортикоиды,
андрогены, прогестерон оказывают обратный эффект и угнетают иммунитет.
В эпифизе на основе триптофана синтезируется мелатонин. Синтез мелатонина периодически изменяется в течение суток и зависит от освещенности. В
темноте увеличивается образование мелатонина, на свету - тормозится. Мелатонин тормозит секрецию гонадотропинов в гипофизе или через либерины гипоталамуса, - или непосредственно, угнетая тем самым половое созревание.
Увелечение светового дня тормозит синтез мелатонина, благодаря чему активно секретируются гонадотропины, вызывающие рост половых желез, образование в них половых гормонов и повышение половой активности. Уменьшение
светового дня вызывает противоположные явления.
16.10. Простагландины
Простагландины - гормоноподобные вещества, являющиеся производными полиеновых жирных кислот (линолевой и образующейся из нее арахидоновой), содержащих циклопентановое кольцо. Они образуются во всех клетках и
тканях организма человека, за исключением эритроцитов. Это короткоживущие
соединения, которые синтезируются в небольших количествах по мере необходимости и оказывают биологический эффект на месте своего образования.
В зависимости от химического строения все простагландины делят на
группы, а внутри каждой группы еще выделяют серии. Разные типы простагландинов оказывают неодинаковый и даже противоположный эффект; простагландины одной группы, но разных серий тоже могут оказывать противоположное действие.
269
В эндокринных железах простагландины стимулируют образование и
секрецию гормонов; в жировой ткани они, подобно инсулину, тормозят липолиз, т.е. проявляют антагонизм в отношении эффекта полипептидных гормонов,
которые усиливают липолиз.
Определенные простагландины регулируют сокращение гладких мышц
матки, бронхов и кишечника, но одни из них вызывают сокращение мышц, другие - расслабление. Простагландины усиливают моторику кишечника, но одни
из них тормозят секрецию желудочного сока, а другие - усиливают.
Простагландины - тромбоксан и простациклин, например, оказывают различное действие на кровеносные сосуды. Тромбоксан сужает сосуды и повышает артериальное давление, а простациклин расширяет сосуды и понижает
давление. Простациклин увеличивает объем мочи и выведение с ней натрия,
что также помогает снижению тонуса кровеносных сосудов и препятствует развитию гипертонии.
Простагландины обладают поразительно широким спектром действия и
чрезвычайно высокой активностью (миллионной доли грамма их достаточно
для проявления эффекта).
Избыточное образование простагландинов или их дефицит могут служить
причиной патологических процессов: воспаление, тромбозы, язва желудка и др.
Аналогично действуют лейкотриены (разновидность простагландинов), образующиеся в лейкоцитах также, как и простагландины, из арахидоноврй кислоты, но имеющие нециклическое ненасыщенное строение.
Действием протагландинов и лейкотриенов объясняются такие симптомы
воспаления, как покраснение, отек, повышение температуры, боль. Простагландины расширяют сосудистые капилляры и увеличивают их проницаемость - появляется покраснение и отечность воспаленного очага. Лейкотриены способствуют миграции лейкоцитов к месту воспаления и их скоплению и слипанию в
этом очаге. Ферменты лейкоцитов участвуют в уничтожении бактерий, вызывающих воспаление. Если лейкотриены не образуются, то это препятствует локализации воспаления и может привести к бактериемии. Повышение темпера270
туры и лихорадка при воспалении вызываются действием простагландинов на
терморегулирующие центры гипоталамуса, а боли - тем, что они повышают
чувствительность нервных окончаний к раздражающему действию гистамина
(гормоноподобное вещество - продукт дскарбоксилирования гистидина).
Простагландины, лейкотриены и тромбоксаны являются медиаторами
воспалительных и аллергических реакций.
Препараты глюкокортикоидов, а также противовоспалительные средства
(аспирин, индометацин, диклофенак и др.) снижают образование лейкотриенов.
Тем самым снимается воспаление.
Важную роль в развитии тромбоза сосудов играют тромбоксан и простациклин. Тромбоксан способствует тромбированию сосудов, а простациклин наоборот. Соотношение простациклин/тромбоксан в стенке сосудов имеет важное значение в развитии тромбоза. Антитромботический эффект аспирина и
индометацина объясняется тем, что они тормозят образование тромбоксана и
агрегацию тромбоцитов.
Простагландин Е2 препятствует развитию язв в слизистой желудка и кишечника, поэтому препараты, подавляющие синтез простагландинов (глюкокортикоиды), приводят к образованию язв, сопровождающихся желудочнокишечными кровотечениями.
16.11. Биохимическая адаптация
Адаптация - это совокупность процессов в организме, формирующих его
устойчивость к изменившимся условиям существования. В зависимости от
уровня приспособительных реакций можно выделить физиологическую (системную) и биохимическую (клеточную) адаптацию.
Физиологическая адаптация связана с перестройкой деятельности системных функций организма (например, кровообращения, дыхания, нервной
системы и т.д.), позволяющих сохранить постоянство внутренней среды организма и облегчить деятельность органов и тканей, улучшая их снабжение пита-
271
тельными веществами и кислородом, ускоряя вывод продуктов жизнедеятельности.
Клетки, являясь частью организма, обладают собственными механизмами
перестройки обмена веществ, основанными на изменениях в протекании биохимических реакций внутри клеток.
Два вида адаптации тесно взаимосвязаны и дают возможность приспособиться организму к неблагоприятным условиям.
Адаптация связана с регуляцией, так как направить в нужное русло обмен
веществ можно только с помощью системы внеклеточных регуляторов. Биохимическая адаптация и регуляция может быть срочной и долговременной.
Срочная адаптация связана с быстрой перестройкой обмена веществ,
происходящей в начале критической ситуации. При этом все изменения обмена
веществ обусловлены включением срочных механизмов регуляции клеточного
метаболизма, а именно действием нервно-гормональных стимулов на проницаемость клеточных мембран и активность ферментов.
Если срочная адаптация направлена на выживание клетки, то долговременная - на сохранение жизнеспособности ее в неблагоприятных условиях. При
долговременной адаптации перестройка метаболизма обусловлена включением
долговременных механизмов регуляции, т.е. влиянием нервно-гормонольных
стимулов на синтез ферментов и других функциональных белков, обеспечивающих иной тип обмена веществ, соответствующий изменившимся условиям.
Если по каким-либо причинам нервно-гормональная регуляция нарушена,
то организм долго не может приспособиться к сложившимся условиям среды,
что проявляется в виде болезней адаптации и акклиматизации.
272
Рекомендуемая литература
1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. - М.: Медицина, 1999.
2. Гофман Э. Динамическая биохимия. - М.: Медицина, 1971.
3. Гудман М., Морхауз Ф. Органические молекулы в действии. М.: Мир, 1977
4. ЛенинджерА. Биохимия. - М.: Мир, 1986.
5. Марри Р., Греннер Д., Мейс П., Родуэл В. Биохимия человека. М.: Мир, 1993.
6. Николаев А.Я. Биологическая химия. - М.: Высшая школа 1989.
7. Николаев Л.А. Химия жизни. - М.: Просвещение, 1973.
8. Страйер Л. Биохимия. В 3-х тт. - М.: Мир, 1984.
9. Строев Е.А. Биологическая химия. - М.: Высшая школа, 1986.
10. Уайт А., Хендлер Ф., Смит Э. И др. Основы биохимии. - М. Мир, 1981.
11. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии. - М.: Агар, 1999.
273
Оглавление
Предисловие
Введение
Предмет и задачи биохимии
Методы исследования
Основные признаки живой материи
Глава 1. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ОРГАНИЗМОВ
Глава 2. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА БЕЛКОВ
2.1. Роль белков в построении живой материи. Определение белков
2.2. Элементный состав белков. Содержание белков в органах и тканях
2.3. Аминокислотный состав белков
2.4. Кислотно-основные свойства аминокислот
2.5. Стереохимия аминокислот
2.6. Строение белков
2.7. Уровни структурной организации белков
Первичная структура белков
Вторичная структура белков
Третичная структура белков
Четвертичная структура белков
2.8. Денатурация и ренатурация
2.9. Определение молекулярной массы белков
2.10. Физико-химические свойства белков
Кислотно-основные и буферные свойства белков
Гидратация белков и факторы , влияющие на их растворимость
2.11. Функции белков в организме
2.12. Методы выделения и очистки белков
Методы выделения
Очистка белков, оценка гомогенности белка
2.13. Классификация белков
Глава 3. УГЛЕВОДЫ
3.1. Понятие об углеводах и их классификация
3.2. Моносахариды
Оптичекие свойства моносахаридов
Структура моносахаридов
3. 3 Основные реакции моносахаридов
Реакции с участием карбонильной группы
Реакции с участием гидроксильных групп
3.4. Сложные углеводы
Олигосахариды
Полисахариды
3.5. Биологичекие функции углеводов
Глава 4. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
274
4.1. Общая характеристика нуклеиновых кислот
4.2. Химический состав и строение нуклеиновых кислот
4.3. Уровни структурной организации нуклеиновых кислот
Первичная структура нуклеиновых кислот
Вторичная структура ДНК
Вторичная структура РНК
Третичная структура РНК и ДНК
Глава 5. ЛИПИДЫ
5 1. Общая характеристика и классификация липидов
5.2. Липидные мономеры
5.3. Многокомпонентные липиды
5. 4. Биологические функции липидов
Глава 6. ФЕРМЕНТЫ
6.1. Методы выделения и очистки ферментов
6.2. Химическая природа и структура ферментов
6.З. Кофакторы ферментов
Ионы металлов как кофакторы ферментов
Коферменты
6.4. Механизм действия ферментов
6.5. Свойства ферментов
6. 6. Специфичность действия ферментов
7.7. Факторы, влияющие на скорость ферментативного катализа
Влияние температуры на активность ферментов
Влияние рН на активность ферментов
Влияние концентраций субстрата и фермента на скорость ферментативной реакции
Зависимость скорости реакции от времени
6.8. Регуляция активности ферментов
Активация ферментов
Ингибирование ферментов
Аллостерическая регуляция действия ферментов
6.9. Определение активности ферментов
6.10. Номенклатура и классификация ферментов
6.11. Локализация ферментов в организме и клетке
6.12. Применение ферментов
Глава 7. ВИТАМИНЫ
7.1. Понятие о витаминах
7.2. Классификация витаминов
7.3. Жирорастворимые витамины
Витамин А (ретинол)
Витамин D (кальциферол)
Витамин Е (токоферолы)
Витамин К (нафтохиноны)
275
7.4. Водорастворимые витамины
Витамин B1 (тиамин)
Витамин В2 (рибофлавин)
Витамин В3 (пантотеновая кислота)
Витамин В5 (РР, ниацин, никотинамид, никотиновая кислота)
Витамин В6 (пиридоксин)
Витамин В9 (Вс, фолиевая кислота)
Витамин В12 (кобаламин)
Витамин С (аскорбиновая кислота)
Витамин Н (биотин)
Витамин Р (рутин, витамин проницаемости)
7.5. Витаминоподобные вещества
Глава 8. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И
ЭНЕРГИИ В ОРГАНИЗМЕ
8.1. Обмен веществ
8.2. Обмен энергии
Глава 9. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ
9.1. Сущность биологического окисления
9.2. Дыхательная цепь
9.3. Окислительное фосфорилирование
Глава 10. ОБМЕН УГЛЕВОДОВ
10.1. Переваривание углеводов
10.2. Метаболизм глюкозы
10.3. Биосинтез гликогена
10.4. Распад гликогена
10.5. Анаэробный гликолиз
10.6. Аэробный распад глюкозы
10.7. Пентозофосфатный цикл
10.8. Биосинтез глюкозы (глюконеогенез)
10.10. Регуляция обмена углеводов
Глава 11. ОБМЕН ЛИПИДОВ
11.1. Переваривание липидов
11.2. Метаболизм глицерина
11.3. Метаболизм жирных кислот
11.4. Биосинтез жиров
11.5. Регуляция обмена липидов
Глава 12. ОБМЕН НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
12.1. Пути распада РНК и ДНК
12.2. Распад пуриновых и пиримидиновых оснований
12.3. Биосинтез нуклеотидов
12.4. Биосинтез нуклеиновых кислот
12.5. Путь информации от генотипа к фенотипу
Глава 13. ОБМЕН БЕЛКОВ
276
13.1. Понятие об обмене белков
13.2. Переваривание белков пищи и распад белков тканей
13.3. Метаболизм аминокислот
13.4. Удаление аммиака из организма. Орнитиновый цикл
13.5. Синтез аминокислот
13.6. Биосинтез белков (трансляция)
Глава 14. ВОДНО-СОЛЕВОЙ И МИНЕРАЛЬНЫЙ ОБМЕН
14.1. Водно-солевой обмен
Содержание воды в организме и клетке
Роль и функции воды в процессе жизнедеятельности
14.2. Регуляция водно-солевого обмена
Регуляция осмотического давления и объема внеклеточной жидкости
Регуляция рН
14.3. Минеральный обмен
Минеральные вещества
Функции минеральных веществ
Минеральные вещества и обмен нуклеиновых кислот
Минеральные вещества и обмен белков
Минеральные вещества и обмен углеводов и липидов
14.4. Регуляция минерального обмена
Глава 15. ВЗАИМОСВЯЗЬ ОБМЕНА БЕЛКОВ, ЖИРОВ, УГЛЕВОДОВ И НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Глава 16. ГОРМОНЫ. НЕРВНО-ГОРМОНАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ
ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ
16.1. Понятие о гормонах. Основные принципы регуляции обмена веществ
16. 2. Классификация гормонов
16.3. Общие представления о действии гормонов
16. 4. Гормоны щитовидной и паращитовидных желез
Гормоны щитовидной железы
Гормоны паращитовидных желез
16.5. Гормоны поджелудочной железы
16.6. Гормоны надпочечников
16.7. Гормоны половых желез
16.8. Гормоны гипоталамо-гипофизарной системы
16.9. Гормоны тимуса и эпифиза
16.10. Простагландины
16.11. Биохимическая адаптация
Рекомендуемая литература
277