КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО БИООРГАНИЧЕСКОЙ

ХИМИИ

Публикуется с разрешения правообладателя —Литературного агентства «Научная книга»

Доцент, к.м.н. О. В. Осипова, А. В. ШустовКонспект лекций по биохимии представлен в соответствие с со-

временными стандартами. Является альтернативой для студентов при

подготовке к экзаменам. Благодаря четким определениям основных

понятий студент может сформулировать ответ, за короткий срок

усвоить и переработать важную часть информации, успешно сдать эк-

замен. Курс лекций будет полезен не только студентам, но и препода-

вателям.

ЛЕКЦИЯ № 1. Функции белков, аминокислотный состав белков

1. Функции белков, содержание белков в органах и тканях

Белки (протеины) — это высокомолекулярные органическиевещества, построенные из остатков аминокислот. Белки представ-ляют собой основу структуры и функции всех живых организ-мов. Белки могут выполнять самые разнообразные функции.К основным функциям белков относятся следующие.

1. Каталитическая функция. В настоящее время большин-ство ферментов, или биологических катализаторов, являетсябелками. От этой функция белков зависит скорость химическихреакций в биологических системах.

2. Транспортная функция. Перенос кислорода крови осу-ществляется молекулами гемоглобина, являющегося белкомэритроцитов. Альбумины сыворотки крови принимают участиев транспорте липидов, образуют комплексы с органическимии неорганическими веществами и обеспечивают их доставкук органам-мишеням.

3. Защитная функция. В ответ на поступление в организм ве-ществ, несущих на себе отпечаток генетической чужеродности,синтезируются специфические защитные белки-антитела. За-щитная функция белков проявляется также в способности ихк свертыванию (фибриногену), что защищает организм от поте-ри крови при ранениях.

4. Сократительная функция. Специфические белки мышеч-ной ткани (актин и миозин) играют главную роль в акте мышеч-ного сокращения и расслабления. Сократительной способно-стью обладают также белки цитоскелета, обеспечивающиерасхождение хромосом в процессе митоза.

5. Структурная функция. Первое место по количеству средибелков тела человека занимают структурные белки (коллаген,кератин, эластин и др.). Белки участвуют в образовании клеточ-

3

ных мембран, межуточного вещества соединительной ткани,в комплексе с углеводами входят в состав ряда секретов (муци-на, мукоидов и др.).

6. Гормональная функция. Гормональная регуляция занима-ет важное место в регуляции обмена веществ, а ряд гормоновпредставлен белками, полипептидами или производными амино-кислот.

7. Питательная (резервная) функция. Существуют специаль-ные резервные белки, осуществляющие питание плода (оваль-бумины) и ребенка (альбумины и казеин).

Кроме того, белки участвуют в экспрессии генетической ин-формации, передаче нервных импульсов, поддерживают онко-тическое давление крови и клеток, обеспечивают гомеостаз pHвнутренней среды организма.

В органах и тканях животных содержится большое количест-во белков. На долю белков в человеческом теле приходится45% от сухой массы. Наиболее богаты белком поперечно-поло-сатые мышцы, легкие, селезенка и почки (72—84%). К органамс умеренным содержанием белка относятся кожа, мозг и нерв-ная ткань, сердце, органы пищеварительной системы (47—63%).В твердых тканях костей, зубов и в жировой ткани белки содер-жатся в небольшом количестве (14—20%).

2. Аминокислотный состав белков, классификация аминокислот

Основными структурными единицами белков являютсяаминокислоты. Природные белки построены из 20 α-аминокис-лот. α-аминокислоты представляют собой производные карбо-новых кислот, у которых водородный атом у α-углерода заме-щен на аминогруппу:

Радикал R представляет собой группу атомов, не участвую-щих в образовании пептидной связи. Все особенности структу-

4

ры и функции белковых молекул определяются химическойприродой радикала R.

Классификация аминокислот основана на химическом строе-нии радикалов аминокислот. Современная рациональная клас-сификация основана на полярности радикалов.

Различают пять классов аминокислот.1. Аминокислоты с неполярными (гидрофобными) радика-

лами:

5

алалин

валин

лейцин

глицин

изолейцин

2. Аминокислоты с полярными (гидрофильными) радикалами:

3. Аминокислоты с отрицательно заряженными радикалами:

6

серин

цистеин

глутамин

треонин

метионин

аспарагин

аспарагиновая кислота

глутаминовая кислота

4. Аминокислоты с положительно заряженными радикалами:

5. Аминокислоты с ароматическими радикалами:

7

гистидин

аргинин

фенилалалин

тирозин

триптофан

лизин

C

3. Общие свойства аминокислот

Кислотно-основные свойстваАминокислоты — амфотерные вещества, легкорастворимы

в воде, в водных растворах диссоциируют с образованием би-полярных ионов (цвиттерионов):

В кислой среде аминокислоты реагируют как основания,аминогруппа является акцептором протона:

В щелочной среде аминокислоты реагируют как кислоты,карбоксильная группа является донатором протона:

Как амфотерные соединения аминокислоты способны обра-зовывать соли при взаимодействии как с кислотами, так и с ос-нованиями.

Значение pH раствора, при котором средний заряд амино-кислоты равен нулю, называется ее изоэлектрической точкой.

Изоэлектрическая точка аминокислот зависит от кислотно-сти и основности радикалов этих аминокислот.

Химические реакции аминокислот1. Реакции по COOH-группе (реакции солеобразования, эте-

рификации и декарбоксилирования):

8

2. Реакции по NH-группе (реакции солеобразования, дезами-нирования, ацилирования);

(Реакции дезаминирования см. в соответствующем разделе).

3. Реакции образования ди- и полипептидов;

4. Реакции по радикалу — реакции с аминокислотами, со-держащими бензольное кольцо (реакции замещения по бен-зольному кольцу).

9

ЛЕКЦИЯ № 2. Физико-химические свойства белков, их структурная организация

1. Физико-химические свойства белков. Понятие структурной организации белков

Характерными физическими свойствами белков являют-ся высокая вязкость растворов, ограниченная способность к диф-фузии, способность к значительному набуханию, оптическая ак-тивность, подвижность в электрическом поле. Белки обладаютбольшой гидрофильностью, чем обусловлено высокое онкотиче-ское давление белков. Растворы белков имеют низкое осмотиче-ское давление.

Белки способны к поглощению ультрафилетового излученияс длиной волны менее 280 нм.

Белковые молекулы обладают большой молекулярной массой(6000—1 000 000) и не способны проникать через полупроницае-мые искусственные мембраны и биомембраны здоровых живыхорганизмов.

Форма белковых молекулВ природе существует два вида белковых молекул: нитевидные

(фибриллярные) и шарообразные (глобулярные). Физико-химиче-ские и биологические свойства белков в свободном или связанномсостоянии определяются их пространственной структурой.

Денатурация белков — нарушение общего плана строениябелковой молекулы, приводящее к потере характерных для неесвойств под влиянием различных физических и химическихфакторов. Внешне денатурация проявляется потерей раствори-мости, повышением вязкости, резким снижением биологиче-ской активности белка.

Ренатурация белка (обратный процесс с полным восстанов-лением структуры и функции молекулы белка) возможна при не-продолжительном действии денатурирующего агента. Денатура-ция необратима при нарушении первичной структуры белка.

10

Изоэлектрическая и изоионная точки белковЗначение pH раствора, при котором суммарный заряд белко-

вых молекул равен нулю, — это изоэлектрическая точка белка(pI). Она определяется аминокислотным составом белка. В изо-электрической точке белки наименее устойчивы в растворе, лег-ко осаждаются.

Изоионный раствор белка — раствор, содержащий толькоионизированные остатки аминокислот и ионы, образующиесяпри диссоциации воды.

Изоионной точкой белка называется значение pH изоионно-го раствора этого белка.

Понятие о структурной организации белкаБелки представляют собой сложные полипептиды, аминокис-

лоты в которых связаны пептидными связями, образующимисяпри взаимодействии α-карбоксильных и α-аминогрупп амино-кислот.

К дипептиду могут присоединяться другие аминокислоты,образуя три-, тетра-, пентапептид и так далее вплоть до образо-вания крупного полипептида. Последовательность расположе-ния аминокислот в полипептиде представляет собой первичнуюструктуру белка.

Всего существует четыре уровня структурной организациибелка — первичная, вторичная, третичная и четвертичная струк-тура. Структура большинства белков состоит из трех уровней.

2. Первичная и вторичная структура белка

Первичная структура белка — последовательность распо-ложения аминокислотных остатков в полипептиде.

11

Некоторые белки представлены не одной, а несколькими поли-пептидными цепями, связанными между собой дисульфиднымисвязями.

Для определения первичной структуры белка с помощью гидро-лиза выясняют количественное соотношение аминокислот в молеку-ле белка. Затем определяют химическую природу концевых амино-кислот полипептидной цепи, которая содержит по одной свободнойNH2- и COOH-группе. Для определения N-концевой аминокислотыиспользуются метод Сэнджера и фенилгидантоиновый метод, дляопределения С-концевой аминокислоты — метод Акабори.

Первичная структура белка характеризуется рядом осо-бенностей.

1. Первичная структура белка генетически детерминированаи уникальна, замена аминокислот внутри полипептидной цепиприводит к изменению структуры и функции белка.

2. Первичная структура белка стабильна, что обеспечиваетсядипептидными и в меньшей степени дисульфидными связями.

3. Число комбинаций аминокислот в полипептиде очень ве-лико, повторяющиеся последовательности аминокислот редки.Идентичные последовательности аминокислот могут встречать-ся в области активных центров ферментов.

4. Первичная структура белка детерминирует вторичную,третичную и четвертичную структуру белковой молекулы.

Вторичная структура белка — конфигурация полипептид-ной цепи, более компактная ее упаковка в спиральную или ка-кую-либо другую конформацию. Процесс конфигурации идетв соответствии с программой, заложенной в первичной струк-туре белка. Существует две основных конфигурации полипеп-тидной цепи: α-спираль и β-сладчатый слой.

Действующим началом образования α- и β-структуры явля-ется способность аминокислот образовывать водородные связи.Стабильность вторичной структуры обеспечивается в основном

12

водородными и в меньшей степени пептидными и дисульфид-ными связями. Водородная связь — слабое электростатическоевзаимодействие между электроотрицательным атомом (O илиN) и атомом водорода, ковалентно связанным с другим электро-отрицательным атомом. Основные типы водородных связей:

Структуре α-спирали присущ ряд закономерностей. На каждыйшаг спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка, шаг спиралиравен 0,54 нм на виток и 0,15 нм на один аминокислотный остаток.Угол подъема спирали 26°, через каждые пять витков повторяетсяструктурная конформация полипептида. При образовании β-струк-туры две или более линейные полипептидные цепи, расположенныепараллельно либо антипараллельно, связываются между собой во-дородными связями между пептидными связями. В природе встре-

13

между ОН-группой серина и пептидной связью

чаются белки, вторичная структура которых не является ни α-, ни β-структурой (например, коллаген). В настоящее время дока-зано существование двух промежуточных уровней организациибелковой молекулы между вторичной и третичной структурой —надвторичные структуры и структурные домены.

3. Третичная и четвертичная структура белка

Третичная структура белка — это пространственная ориен-тация полипептидной спирали, следующий за вторичной струк-турой способ компактизации белковой молекулы. Процессукладки полипептидной цепи — фолдинг.

Пространственная структура белков зависит от ионной силы и pHраствора, температуры и иных факторов. В стабилизации простран-ственной структуры белков наряду с ковалентными связями (пептид-ными и дисульфидными) принимают участие так называемыенековалентные связи, к которым относятся водородные связи,электростатические взаимодействия заряженных групп, вандервааль-совы силы, взаимодействия неполярных боковых радикалов амино-кислот, гидрофильно-гидрофобные взаимодействия и др. При этом не-ковалентные связи играют основную роль. Третичная структурабелка формируется самопроизвольно и полностью детерминирует-ся первичной структурой белка. Основным движущим моментомв возникновении трехмерной структуры является взаимодействиерадикалов аминокислот с молекулами воды, состоящее в том, чтогидрофобные радикалы аминокислот ориентируются внутрь мо-лекулы белка, в то время как гидрофильные радикалы ориентируютсянаружу. В результате образуется термодинамически наиболее вы-годная конформация молекулы белка, характеризующаяся наимень-шей свободной энергией. Конформации белков стабильны, основ-ные формы конформаций — T-форма (tensed — «напряженная»)и R-форма (relaxed — «расслабленная»). Трехмерная структура бел-ка содержит функциональную информацию, определяющую всебиологические свойства белков. Нарушение третичной структурыбелка влечет за собой потерю его биологических свойств.

Четвертичная структура белка — пространственная ориента-ция нескольких полипептидных цепей, обладающих собственнойпервичной, вторичной или третичной структурой, с образованиеммакромолекулярного образования.

14

Отдельные полипептидные цепи — протомеры (мономеры, су-бъединицы) — не обладают биологической активностью и приобре-тают ее при определенном способе пространственного объединения.Образовавшаяся молекула является олигомером (мультимером).

Четвертичная структура стабилизируется за счет нековалент-ных связей между контактными площадками протомеров, компле-ментарных друг другу. Четвертичная структура обнаружена у нес-кольких сотен белков. Молекула гемоглобина представляет собойтетрамер — состоит из двух α- и двух β-цепей. Фермент фосфори-лаза a состоит из двух идентичных субъединиц по две пептидные це-пи. Фермент лактатдегидрогеназа содержит два типа полипепти-дных цепей — M (muscle — «мышца») и B (brain — «мозг»)и может существовать в пяти формах, называемых изофермента-ми, или множественными формами ферментов.

4. Классификация белков, химия простых белков,природные пептиды

Классификация белковВ соответствии с выполняемыми функциями выделяют 12 глав-

ных классов белков:1) каталитически активные белки (ферменты);2) белки — ингибиторы ферментов;3) белки — регуляторы активности генома;4) защитные белки: белки иммунной и свертывающей системы;5) токсические белки;6) транспортные белки;7) мембранные белки;8) сократительные белки;9) рецепторные белки;10) белки-гормоны;11) белки — оболочки вирусов;12) белки с другими функциями.В зависимости от особенностей вторичной и третичной

структуры выделяют:1) α-белки (содержат не менее 60% α-спирали);2) β-белки (содержат только β-структуры);3) α + β-белки (содержат оба типа структуры в пределах од-ной полипептидной цепи);4) α / β-белки (содержат множество структур обоих видов,чередующихся в пределах одной полипептидной цепи).

15

В зависимости от химического состава белки подразделя-ются на:

1) простые белки (построены только из остатков аминокис-лот) — протамины, гистоны, альбумины, глобулины, прола-мины, глютелины и др.;2) сложные белки (состоят из белка и небелкового компо-нента — простетической группы) — фосфо-, хромо-, нук-лео-, глико-, липо- и металлопротеины.Химия простых белков.1. Протамины и гистоны — белки с небольшой молекулярной мас-

сой. Протамины содержат 60—85% аргинина, обладают вы-раженными основными свойствами, хорошо растворимы в воде, изоэлектрическая точка их водных растворов находится в щелочнойсреде. Протамины входят в состав ряда сложных белков. Гистоны —белки основного характера, содержат лизин и аргинин (20—30%), содержатся в основном в ядрах клеток в составе нуклеопротеинов.

2. Альбумины и глобулины — глобулярные белки, различные порастворимости, с молекулярной массой соответственно 40 000—70 000 и 150 000 и выше, широко распространены в органах и тканяхживотных.

На альбумины приходится 75—80% осмотического давлениябелков сыворотки крови, их основная функция — транспортная.

Глобулины подразделяются на фракции — α1-, α2-, β- и γ-глобу-лины, выполняют транспортную и защитную функции.

Природные пептиды — встречающиеся в организме в свобод-ном состоянии низкомолекулярные пептиды. Они делятся начетыре группы:

1) пептиды, обладающие гормональной активностью (кортико-тропин, вазопрессин, окситоцин, глюкагон, кальцитонин, ме-ланотропин, рилизиног-факторы гипоталамуса и др.);2) пептиды, принимающие участие в процессе пищеварения(гастрин и секретин);3) пептиды α2-глобулиновой фракции сыворотки крови (ан-гиотензин, брадикинин и каллидин);4) нейропептиды.Активные пептиды образуются из неактивных предшествен-

ников в результате посттрансляционной модификации.Природные пептиды высокоактивны, но нестабильны и быстро

распадаются при физиологических pH среды.

16

ЛЕКЦИЯ № 3. Особенности белкового обмена, переваривание белков

1. Особенности белкового обмена

Существуют некоторые особенности белкового обмена:1) осуществление пластической функции (белки определяютмикро- и макроструктуру отдельных субклеточных образова-ний, специфику клеток, органов и целостного организма);2) способность определять динамическое состояние междуорганизмом и окружающей средой;3) строгая специфичность;4) обеспечение каталитической функции;5) обеспечение энергетической функции;6) разветвленность белкового обмена;7) интегрированность белкового обмена с обменом углево-дов, липидов, нуклеиновых кислот через аминокислоты илиα-кетокислоты. Факторы, определяющие состояние белкового обмена: 1) физиологическое состояние организма;2) деятельность ЦНС;3) синтез белка (осуществляется по закону «все или ничего»при условии наличия в клетке всех 20 аминокислот);4) обмен белков (регулируется гормонами, определяющими на-правление синтеза, распада и интенсивность белкового обмена).Принято считать, что для правильной оценки состояния обмена

белков достаточно определение азотистого баланса — количествен-ной разницы между введением с пищей азота и выведением его в виде конечных продуктов азотистого обмена. Различают положи-тельный и отрицательный баланс, азотистое равновесие. При поло-жительном азотистом балансе количество выводимого из организмаменьше количества азота, вводимого с пищей, часть азота остаетсяв организме и расходуется главным образом для биосинтеза высоко-молекулярных белковых веществ, синтетические процессы преобла-

17

дают над процессами распада белков. При отрицательном азотистомбалансе количество выделяемого азота превышает количество посту-пившего азота. Состояние белкового обмена целостного организмазависит не только от количества принимаемого с пищей белка, но и откачественного его состава. Чем ближе аминокислотный состав при-нимаемого пищевого белка к аминокислотному составу белков тела,тем выше его биологическая ценность. Степень усвоения пищевогобелка зависит также от эффективности его распада под влияниемферментов ЖКТ. В организме человека синтезируется только 10 из 20необходимых аминокислот, остальные 10 являются незаменимыми.Недостаток в пище одной незаменимой аминокислоты ведет к непол-ному усвоению других аминокислот. Белковые резервы — легко мо-билизуемые при необходимости тканевые белки, которые после гид-ролиза под действием тканевых протеиназ служат поставщикамиаминокислот, необходимых для синтеза ферментов, гормонов и т. д.В качестве резервных белков рассматриваются белки плазмы крови,печени, мышц.

2. Особенности переваривания белков, эндопептидазы

Главный источник белков — пищевые продукты животногои растительного происхождения. Суть процесса переваривания пи-щевых белков — лишить белки пищи видовой и тканевой специ-фичности путем последовательного действия протеолитическихферментов и придать продуктам распада способность всасыватьсяв кровь через стенку кишечника. 95—97% белков пищи всасывают-ся в виде свободных аминокислот. В ЖКТ осуществляется поэтап-ное ферментативное избирательное расщепление пептидных связейбелковой молекулы до конечных продуктов гидролиза белков — сво-бодных аминокислот. Гидролиз заключается в разрыве пептидныхсвязей –СО–NH-белковой молекулы. Протеинкиназы обладают ши-рокой специфичностью. Гидролазы часто называют пептидазами:

1) экзопептидазы, катализирующие разрыв концевой пепти-дной связи с освобождением одной какой-либо концевойаминокислоты;2) эндопептидазы, преимущественно гидролизирующие пеп-тидные связи внутри полипептидной цепи. Пепсин вырабаты-вается в клетках слизистой оболочки желудка в неактивной

18

форме — в виде пепсиногена, превращающегося в активныйпепсин под действием кислой среды желудочного сока. Гид-ролизует в белках пептидные связи, образованные карбок-сильными группами ароматических аминокислот. Из-за не-продолжительного нахождения пищи в желудке белкигидролизуются пепсином в основном до смеси полипептидов.

3. Переваривание белков в желудке и кишечнике

Панкреатический сок имеет слабощелочную реакцию, содержитнеактивные предшественники протеаз: трипсиноген, химотрипсино-ген прокарбоксипептидазы А, В и проэластазу. Слизистая кишечни-ка вырабатывает энтеропептидазу, которая превращает трипсиногенв трипсин. Трипсин обеспечивает аутокатализ и активирует все неак-тивные предшественники протеаз панкреатического сока. Энтеро-пептидаза выделяется в виде предшественника киназогена. Актива-ция трипсиногена происходит путем отщепления N-концевогогексапептида, активация химотрипсина — путем расщепления одной пептидной связи с последующей перестройкой молекулы и формированием активного центра в ней. Трипсин гидролизуетв полипептидах пептидные связи, образованные гидроксильны-ми группами аргинина и лизина, химотрипсин расщепляет пептид-ные связи, образованные карбоксильными группами фенилаланина,тирозина и триптофана. Пепсин усиливает действие и приводит к более глубокому расщеплению белков. Экзопептидазы (экзопеп-тидазы) принимают активное участие в переваривании белков в тон-ком кишечнике. Карбоксипептидаза А быстро расщепляет С-конце-вые аминокислоты с ароматическими или алифатическими боковымицепями; карбоксипептидаза В действует на пептиды, имеющие С-концевые остатки аргинина и лизина.

Эластаза — эндопептидаза, синтезируется в поджелудочнойжелезе, превращение профермента катализируются трипсином,преимущественно гидролизует пептидные связи, образованныеаминокислотами с небольшими гидрофобными радикалами,в частности глицином, аланином, серином. Ферменты, гидроли-зующие пептиды, функционируют преимущественно внутрикле-точно. Конечный результат действия протеолитических фермен-тов желудка и кишечника — расщепление пищевых белков досвободных аминокислот.

19

ЛЕКЦИЯ № 4. Всасывание продуктов гидролиза белков и промежуточный обмен аминокислот

1. Всасывание продуктов гидролиза белков

Конечный результат действия протеолитических ферментовжелудка и кишечника — расщепление практически всей массыпищевых белков до свободных аминокислот.

Всасывание свободных аминокислот из кишечника происхо-дит достаточно быстро — максимальный прирост их содержа-ния в крови происходит через 30—50 мин после приема в пищубелка. Всасывание происходит главным образом в тонком кишеч-нике, это активный процесс с потреблением энергии.

Основной механизм транспорта аминокислот через клеточныемембраны — гамма-глутамильный цикл с участием шести фермен-тов (один из них мембрано-связанный, остальные находятся в ци-тозоле) и трипептид глутатион (гамма-глутамилцистеинилглицин).

Ключевой фермент процесса — гамма-глутамилтрансфераза,катализирующая перенос глутамильного остатка глутатиона натранспортируемую кислоту:

Свободная аминокислота, участвующая в этой реакции, по-ступает с наружной поверхности клетки, глутатион находитсявнутри. После реакции глутамиламинокислота оказываетсяв клетке вместе с цистеинилглицином.

Далее эта кислота расщепляется ферментом цитозоля глута-миламинотрансферазой:

20

Одновременно происходит гидролиз цистеинилглицина нацистеин и глицин. В итоге молекула аминокислоты оказывает-ся в цитозоле. Поступление энергии, необходимой для перено-са, обеспечивается за счет гидролиза двух пептидных связейв глутатионе на первой и второй стадии процесса.

Перенос одной молекулы сопровождается потреблениемодной молекулы глутатиона. Для продолжения процесса глута-тион регенерирует в ходе трех последовательных превращений:

Первую реакцию катализирует оксопролиназа, вторую — глута-милцистеинсинтетаза, третью — глутатион-синтетаза. В реакциииспользуются три молекулы АТФ. Всасываемые аминокислотыпопадают в портальный кровоток, печень, общий кровоток. Осо-бо интенсивно поглощают аминокислоты печень и почки, а мозгизбирательно быстро — метионин, цистидин, глицин, аргинин,глутамин, тирозин. Микрофлора кишечника располагает наборомферментных систем, катализирующих разнообразные превращенияпищевых аминокислот, не свойственных организму человека, благо-даря чему создаются оптимальные условия для образования ядови-тых продуктов распада аминокислот — фенола, индола, крезола,скатола, сероводорода, метилмеркаптана.

Все эти превращения аминокислот называются гниением. Распадсеросодержащих аминокислот (аминокислотцистеина, метионина)приводит к образованию сероводорода, метилмеркаптана. Диамино-кислоты (орнитин, лизин) подвергаются декарбоксилированию с об-разованием аминов, соответственно путресцина и кадаверина.Из ароматических аминокислот — фенилаланина, тирозина, трипто-фана при бактериальном декарбоксилировании образуются амины:фенилэтиламин, тирамин, триптамин. Микробные ферменты ки-шечника разрушают боковые цепи циклических аминокислот, ти-розина и триптофана с образованием ядовитых продуктов обмена,соответственно крезола и фенола, скатола, индола.

После всасывания эти продукты через воротную вену по-падают в печень, где подвергаются обезвреживанию путем хи-мического связывания с серной или глюуроновой кислотойс образованием нетоксичных кислот.

21

2. Промежуточный обмен аминокислот

Расщепление аминокислот, не использующихся в процессебиосинтеза, дезаминирование, трансаминирование, декарбок-силирование.

Дезаминирование, или отщепление, аминогруппы катализи-руется оксидазами аминокислот, эти ферменты катализируютдезаминирование, сопровождающееся окислением (окислитель-ное дезаминирование).

Аминооксидазы специфичны и малоактивны, единственныйвысокоактивный фермент — глутаматдегидрогеназа, широкопредставленная в печени и мозге, катализирует превращениеглутаминовой кислоты в α-кетоглутаровую.

Переаминирование аминокислот — реакция, в которой проис-ходит обмен аминогруппы на кетогруппу между аминокислотойи кетокислотой.

Так, глутаминовая кислота, взаимодействуя с пировиноград-ной без промежуточного образования аммиака, превращаетсяв α-кетоглутаровую, а пировиноградная — в аланин.

Ферменты, катализирующие эту реакцию, содержатся в мыш-цах, мозге, сердце, печени, они специфичны, главные из них —глутамат-пируваттрансаминаза и аспартат-пируваттрансаминаза.

22

Кофермент трансаминаз — производное пиридоксаля (витами-на В6) — пиридоксальфосфат, который, взаимодействуя в составетрансаминазы с аминокислотой, принимает на себя аминогруппу.Затем он превращается в пиридоксаминфосфат, который передаетаминогруппу α-кетокислоте, превращая ее в аминокислоту и вос-станавливаясь в виде пиридоксальфосфата. Прореагировавшаяаминокислота, теряя аминогруппу, переходит в кетокислоту. Име-ют значение две реакции переаминирования:

1) аминокислота + α-кетоглутаровая кислота — α-кетокисло-та + глутаминовая кислота, которая активно вовлекается в де-заминирование с преобразованием в кетоглутаровую кислоту,и высвобождается аммиак;2) аминокислота + щавелево-уксусная кислота — α-кетокисло-та + аспарагиновая кислота, которая. Как и аммиак, участвуетв образовании мочевины.Кетокислоты, образующиеся при переаминировании, в зави-

симости от структуры, служат предшественниками глюкозыи гликогена или кетоновых тел. В результате переаминированияиз аминокислот образуются кетокислоты — углеродные скелетыаминокислот, которые вовлекаются в цикл трикарбоновых ки-слот: аланин, глицин, лейцин, серин, треонин, лизин, трипто-фан — через ацетил-КоА; фенилаланин и тирозин — через аце-тил-КоА непосредственно в фумарат; аргинин, гистидин,глутамин, глутаминовая кислота, пролин — в 2-оксоглутарат; ас-парагин и аспарагиновая кислота — в оксалоацетат; валин и ме-тионин — в сукцинол-КоА.

Расщепляясь в ЦТК до углекислоты и воды, аминокислотывысвобождают столько же энергии, сколько глюкоза. При ин-тенсивном распаде аминокислот за счет усиленного образованияацетил-КоА ускоряется синтез кетоновых тел в печени. Проме-жуточный продукт распада аминокислотных радикалов (оксало-ацетат) может использоваться в процессе глюконеогенеза.

Декарбоксилирование аминокислот — реакция, катализируе-мая декарбоксилазами:

23

аминокислота

3. Амины

Амины (продукты декарбоксилирования) обладают высо-кой биологической активностью, к этой группе соединений от-носятся многие медиаторы.

Гамма-аминомасляная кислота образуется в результате де-карбоксилирования глутаминовой кислоты, катализируемойглутаматдекарбоксиазой, кофермент которой (фосфопиридок-саль) в основном образуется в ткани головного мозга. Она явля-ется тормозным медиатором в нервной системе. Она вызываетпереход ионов хлора в постсинаптическую мембрану, что вле-чет гиперполяризацию постсинаптической мембраны, и сигналот возбуждающего нерва не достигает порогового уровня.

Устраняется гамма-аминомасляная кислота в реакции пере-аминирования с α-кетоглутаратом, что ведет к образованиюсукцината, включающегося в ЦТК.

Гистамин — продукт декарбоксилирования гистидина, ка-тализируемого специфической декарбоксилазой, которая расп-ространена в тучных клетках, устраняется гистамин диамино-оксидазой, превращающей его в альдегид и аммиак.

В тучных клетках гистамин связан с белками, высвобождает-ся под действием либераторов. В слизистой желудка гистаминактивирует секрецию пепсиногена и соляной кислоты, в большихколичествах высвобождается из депо при шоке, в зоне воспале-ния. Это сильный сосудорасширяющий агент, медиатор аллерги-ческих реакций.

Серотонин (5-окситриптамин) образуется из триптофана в ре-зультате его гидроксилирования триптофан-5-монооксигеназой(кофактор — тетрагидроптеридин) в 5-окситриптофан с последую-щим декарбоксилированием под действием 5-окситриптофан-де-карбоксилазы. Образуется преимущественно нейронами гипотала-муса и ствола мозга. Функционирует как медиатор этих нейронов,аксоны которых заканчиваются на нейронах многих других отде-лов головного и спинного мозга, на проводящих путях. Они имеютотношение к процессам сна и сенсорного восприятия. Серотонинвзаимодействует с α-рецепторами пре- и постсинаптическоймембран. Его антагонист на уровне постсинаптичесой мембраны — диэтиламид лизергиновой кислоты — сильный гал-люциноген. Серотонин — сильный сосудосуживающий агент, по-

24

вышает свертывание крови. Устраняется под действием моноамино-оксидазы: происходит окисление до альдегида и далее до оксиин-долуксусной кислоты.

Дофамин (3,4-диоксифенилэтиламин) — производное тирози-на. Под действием тирозиназы тирозин гидроксилируется в поло-жении С-3, превращаясь в 3,4-диоксифенилаланин (ДОФА). Ондекарбоксилируется декарбоксилазой ароматических аминокис-лот, превращаясь в дофамин — медиатор ингибирующего типаодного из крупных проводящих путей (тела нейронов, образую-щих эти пути, находятся в черной субстанции верхнего отделаствола мозга, а аксоны образуют густую сеть в полосатом теле).

Дофамин — также медиатор нейронов, аксоны которых за-канчиваются в лимбических структурах переднего мозга и зо-нах, контролирующих высвобождение некоторых гипоталами-ческих гормонов. Дофамин — предшественник меланина,норадреналина, адреналина.

Таурин — амин, образующийся из цистеина, участвует в об-разовании конъюгированных желчных кислот, возможно, вы-полняет медиаторную функцию на уровне синапсов.

Норадреналин образуется из дофамина под действием до-фамин-β-монооксигеназы, катализирующей гидроксилирова-ние β-углеродного атома боковой цепи (в реакции участвуютаскорбиновая кислота и молекулярный кислород). Норадрена-лин выполняет роль медиатора в постганглионарных волокнахсимпатической нервной системы, что приводит к накоплениюцАМФ и активации киназы, катализирующей фосфорилирова-ние белка в постсинаптической ткани, изменяя активность ферментов.

Адреналин — продукт N-метилирования норадреналинафенилэталонамин-N-метилтрансферазой.

Как и норадреналин, адреналин активирует аденилатцикла-зу, запуская расщепление гликогена и липолиз.

Трансметилирование — перенос одноуглеродного фрагмен-та (-СН3).

Подвижная СН3-группа метионина, донором которой слу-жит производное метионина (S-аденозилметионин, образую-щийся из метионина и АТФ), который участвует в метилирова-нии ряда субстратов, обеспечивает синтез биологическиактивных соединений.

25

ЛЕКЦИЯ № 5. Обезвреживание аммиакав организме, специфические пути обмена аминокислот,патология азотистого обмена

1. Обезвреживание аммиака в организме

Обезвреживание аммиака в организме, образующегосяпри дезаминировании аминокислот (главным образом глута-миновой), в меньшей степени при дезаминировании пурино-вых оснований, биогенных аминов, амидов аминокислот,распаде пиримидиновых оснований, происходит следующимпутем:

1) восстановительное аминирование происходит в маломобъеме аммиака, но обеспечивает образование глутамино-вой кислоты;2) образование амидов аспарагиновой и глутаминовой кис-лот (аспарагина и глутамина) протекает преимущественно в нервной ткани, катализаторами являются аспарагинатсинте-таза и глутаминсинтетаза;3) образование аммонийных солей происходит в почечнойткани, куда аммиак доставляется в виде амидов аспарагино-вой и глутаминовой кислот. Амиды гидролизуются глутаминазой и аспарагиназой, об-разуя аспартат, глутамат и аммиак, который нейтрализует-ся с образованием солей аммония (они удаляются с мочой);4) синтез мочевины — основной путь обезвреживанияи удаления амиак — осуществляется в печени. Начальнаястадия синтеза мочевины — синтез карбамоил-фосфата, ко-торый, взаимодействуя с орнитином, образует цитрулин. Да-лее цитрулин взаимодействует с аспарататом, образуя арги-нинсукцинат. Последний расщепляется на фумарати аргинин. Аргинин под действием аргиназы расщепляется гидролити-

чески на мочевину и аргинин.

26

Суммарная реакция синтеза мочевины:

Синтез мочевины происходит в печени, это циклический про-цесс (орнитиновый цикл), в который вовлекаются 1 молекула ам-миака и 1 — аспарагиновой кислоты, а высвобождается по 1 мо-лекуле мочевины, фумарата и орнитина.

2. Специфические пути обмена аминокислот

Существуют следующие пути обмена аминокислот:1) обмен глицина и серина. Глицин — единственная из амино-кислот, в молекуле которой отсутствует асимметричныйатом углерода. Глицин играет незаменимую роль в образо-вании белков, пуриновых нуклеотидов, гемоглобина, желч-ных кислот, креатина, глутатиона. Основным путем катабо-лизма глицина в животных тканях считается распад его приучастии митохондральной глицинрасщепляющей фермент-ной системой. Биологический смысл реакции заключаетсяв образовании активного одноуглеродного фрагмента, ис-пользуемого в уникальных реакциях синтеза метионина, пу-риновых нуклеотидов. Серин играет важную роль в биосин-тезе сложных белков — фосфопротеинов, а такжефосфоглицеридов. Серин легко превращается в пируват поддействием сериндегидрогеназы;2) обмен серосодержащих аминокислот (метионина, цистеи-на, цистина). Цистеин является составной частью трипепти-да глутатиона. Одной из главных функций глутатиона явля-ется сохранение ферментов, содержащихся в активномцентре SH-группы в активной восстановленной форме. Окис-ленный глутатион может вновь восстанавливаться под дей-ствием глутатионредуктазы, используя НАДФН2. Глутатионможет оказывать ингибирующее действие на некоторые бел-ки: известна реакция инактивации инсулина под действиемглутатионинсулинтрансгидрогеназы, в которой SH-глута-тион является донором водородных атомов, разрывающих

27

.

дисульфидные связи между двумя полипептидными цепямимолекулы инсулина. Поскольку в процессе катаболизма се-ра метионина в тканях в основном переходит в серу цистеи-на, а взаимопревращение цистина в цистеин легко осуществ-ляется, проблема окисления серы всех аминокислотпрактически сводится к окислению цистеина. Главным пу-тем оказался окислительный, включающий в себя окислениецистеина в цистеинсульфиновую кислоту. Трансаминирова-ние последней с α-кетоглутаратом приводит к образованиюпирувата и сульфита; сульфит затем быстро окисляетсяи выводится с мочой;3) обмен фенилаланина и тирозина. Фенилаланин — незаме-нимая аминокислота, но полностью заменим при достаточномпоступлении с пищей фенилаланина. Это происходит за счеттого, что основной путь превращения фенилаланина начина-ется с его окисления (гидроксилирования) в тирозин при ка-тализе специфической фенилаланин-4-монооксигеназой, за-тем тирозин в процессе последовательных реакцийпревращается в фумаровую и ацетоуксусную кислоты;4) обмен триптофана, являющегося незаменимой аминокис-лотой. Основной путь обмена триптофана приводит к синте-зу НАД, уменьшая потребность организма в витамине РР.Через ряд промежуточных продуктов триптофан превраща-ется в хинолиновую кислоту, т. е. в непосредственный пред-шественник рибонуклеотида никотиновой кислоты;5) обмен дикарбоновых кислот. Система дикарбоновых амино-кислот, к которой относят также соответствующие α-кетокис-лоты, связана не только с азотистым метаболизмом, но и об-меном липидов и углеводов. Аспарагиновая кислотапринимает участие в орнитиновом цикле мочевинообразова-ния, реакции трансаминирования, биосинтезе углеводов (гли-когенной аминокислоты), пуриновых и пиримидиновых нук-леотидов. Глутаминовая кислота, являющаяся гликогенной и заменимой аминокислотой, включается в синтез глутатионаи глутамина. Помимо участия в транспорте аммиака и регуля-ции кислотно-основного равновесия, глутамин является неза-менимым источником азота в синтезе пуриновых и пирими-диновых нуклеотидов, аминосахаров, обезвреживаниифенилуксусной кислоты, синтезе витамина фолиевой кисло-

28

ты. Глутамин и аспарагин подвергаются сочетанному транса-минированию и дезаминированию под влиянием специфиче-ских трансаминаз амидов и неспецифической амидазы. Глута-миновая кислота является одним из немногих соединенийв дополнение к глюкозе, которые служат энергетическим мате-риалом для ткани мозга: α-кетокислота + L-аспарагин = L ами-нокислота + α-кетосукнамовая кислота; α-кетосукцина-мовая кислота оксалоацетат + аммиак.

3. Патология азотистого обмена

Врожденные нарушения обмена аминокислот сопровожда-ются токсическим действием аминокислот и их метаболитоввследствие высокой чувствительности нервной ткани к дисба-лансу аминокислот.

Врожденные нарушения обмена аминокислот:1) гипераминоацидемии, сопровождающиеся аминоацидури-ей, обусловлены дефектом ферментов в обмене аминокислот:фенилкетонурия, пролинемия, цитруллинемия, болезнь «кле-нового сиропа», гистидинемия, лизинемия, метионинемия;2) наследственные нарушения транспорта аминокислот, выз-ванные угнетением канальцевой транспортной системы;3) вторичные аминоацидурии, обусловленные действиемразличных факторов на систему почечного транспорта амино-кислот, сопровождают почечные и внепочечные заболева-ния, ведущие к нарушению синтеза или активности фермен-тов белкового обмена (некроз печени, тяжелые ожоги,гиповитаминозы).Фенилкетонурия (фенилпировиноградная олигофрения) —

нарушение обмена фенилаланина, который при этом дефекте невовлекается в окислительно-восстановительный распад, накап-ливается в высоких концентрациях.

Тирозинемия — результат нарушения превращения р-гидро-оксипирувата в гомогентизированную кислоту, в крови накап-ливается тирозин и метионин.

Алкаптонурия — результат нарушенных превращений гомо-гентизированной кислоты, продукты окисления которой накап-ливаются в мезенхимальных тканях, моча при этом окрашива-ется в черный цвет.

29

Цистинурия — усиленное выделение цистина с мочой, обус-ловленное нарушением его обратного всасывания. Цистин пло-хо растворим, поэтому появление его в моче ведет к образова-нию камней.

Цистиноз имеет в основе дефект системы окисления цисти-на в тканях, дефект резорбции аминокислот и фосфатов в по-чечных канальцах.

Гомоцистинурия есть проявление нарушения метаболизмаметионина.

Глицинурия обусловлена дефицитом ферментов, обеспечи-вающих превращения глицина, что ведет к усиленной продукцииоксалата. Избыточное выведение оксалата с мочой в присутствиикальция вызывает формирование кристалликов в почках и моче-выводящих путях.

Альбуминизм характеризуется отсутствием пигментов в ко-же, волосах, сетчатке, связан с потерей способности меланоци-тов синтезировать тирозиназу, катализирующую окисление ти-розина в предшественники меланина.

Болезнь Хартнупа имеет в своей основе нарушение всасы-вания триптофана в кишечнике и реабсорбции в почках(характерны пеллагроподобные кожные поражения, психиче-ские расстройства, атаксия, гипераминоацидурия, моча имеетзапах кленового сиропа).

ЛЕКЦИЯ № 6. Обмен нуклеиновых кислот

1. Общие представления об обмене нуклеопротеидов

Переваривание нуклеопротеидов начинается в желудке.Под влиянием соляной кислоты и пепсина разрушаются связимежду белковым компонентом нуклеопротеидов и их простетиче-ской группой. Нуклеиновые кислоты в кишечнике гидролизуютсяпод действием ДНКазы и РНКазы панкреатического сока, продук-ты гидролиза — олиго- и мононуклеотиды. Фосфатазы в кишечни-ке гидролизуют мононуклеотиды до нуклеозидов и фосфорной кислоты. В тканях нуклеотиды служат предшественниками и составными элементами нуклеиновых кислот, участвуют в куму-ляции энергии и ее транспорте (АДФ-АТФ), являются структурны-ми компонентами коферментов (НАД, НАДФ, ФАД, КоА, ГТФ,ЦТФ), посредниками при передаче гормональных сигналов (3, 5-цАМФ, 3,5-цГМФ) на внутриклеточные системы.

Биосинтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов осу-ществляется клетками большинства тканей. Пуриновый скелетобразуется из фрагментов разных соединений: аспартата фор-мила, глутамина, углекислоты и глицина.

Синтез начинается с образования 5-фосфорибозил-1-амина,далее к аминогруппе присоединяется остаток глицина. Затемв образовании пуринового ядра участвуют метенил-Н4-фолат,глутамин, диоксид углерода, аспарагиновая кислота, формиль-ный остаток формил-Н4-фолата.

Эта совокупность реакций ведет к образованию инозиновойкислоты (ИМФ), которая является предшественником АМФи ГМФ. Специфические киназы превращают нуклеозидмоно-фосфаты в нуклеозидди- и трифосфаты. Высвобождающиесяв процессе превращения нуклеотидов в тканях пуриновые осно-вания (аденин и гуанин) могут использоваться повторно длясинтеза нуклеотидов.

31

Пиримидиновое ядро пиримидиновых нуклеотидов синтези-руется из диоксида углерода, амидной группы глутамина и ас-парагиновой кислоты.

Первый этап синтеза — образование карбамоилфосфата, по-ставщиком аминогруппы для которого является глутаминовая кис-лота, затем из него образуются карбамоиласпартат, дигидрооро-тат, оротат, оротидиловая кислота, уридиловая кислота (УМФ).

Цитидиловые нуклеотиды образуются по следующему пути:УМФ + АТФ —— УДФ +АДФ, затем УДФ + АТФ —— УТФ ++ АДФ. УТФ затем аминируется в ЦДФ за счет аминогруппыглутамина. Тимидиловые нуклеотиды происходят из дезокси-уридидиловой кислоты (дУМФ), реакция катализируется тими-дилатсинтетазой, донор одноуглеродистого фрагмента — мете-нил-Н4-фолат.

Дезоксирибонуклеотиды образуются из рибонуклеотидов засчет восстановления остатка рибозы: донором водорода служитнизкомолекулярный белок тиоредоксин, содержащий две тио-группы. За счет водорода этих групп кислород рибозы в поло-жении С-2 восстанавливается до молекулы воды, а другойфермент (тиредоксинредуктаза) восстанавливает окисленныйтиоредоксин за счет водорода НАДФ*Н.

Пути образования дезоксирибонуклеотидов:

Активация синтеза дезоксирибонуклеотидов наблюдаетсяна стадиях, предшествующих делению клетки. Катаболизм пу-риновых нуклеотидов завершается образованием мочевой кис-лоты. На первом этапе АМФ, теряя гидролитически рибозофос-фат и аминогруппу, превращается в гипоксантин, затемв ксантин. ГМФ, теряя рибозофосфатный остаток и аминогруп-пу, также превращается в ксантин, окисление последнего приво-дит к образованию мочевой кислоты, которое катализирует ксан-тиоксидаза. Катаболизм пиримидиновых нуклеотидов. Цитозинв результате дезаминирования превращается в урацил. Затем пос-ле гидролитического раскрытия пиримидинового кольца, дезами-

32

нирования и декарбоксилирования в качестве конечного продукта образуется β-аланин. Тимин подвергается тем же прев-ращениям, что и урацил, конечный продукт его превращений — β-аминомасляная кислота. Нарушение обмена пуриновых и пи-римидиновых оснований: основной конечный продукт пуриновогообмена — мочевая кислота — транспортируется кровью в комп-лексе с уратсвязывающим протеином и полностью фильтруется в клубочке. Нарушения обмена мочевой кислоты могут быть связа-ны с ее избыточным образованием, снижением содержания урат-связывающего протеина или нарушением выделения почками.Классическим проявлением патологии является подагра, это ре-зультат генетически обусловленных энзимодефектов.

Синдром Леша-Нихана сопровождается клиническимипризнаками подагры у мальчиков от полугода до 16 лет. На пер-вый план выступают неврологические симптомы, в основе чеголежит дефект трансаминазы, превращающей гипоксантин и гуа-нин в инозинмонофосфат. В результате гипоксантин и гуанинполностью превращаются в мочевую кислоту, а не используютсяповторно в синтезе мононуклеотидов.

Вторичные гиперурикемии обусловлены действием лекар-ственных средств, замедляющих выведение мочевой кислоты(хлоротиазида, фуросемида), ускоренным распадом нуклеопро-теидов или возникают при некоторых заболеваниях (лейкозах).Нарушение пиримидинового обмена проявляется в виде наслед-ственной оротацидурии: недостаток пиримидинов ведет к отста-ванию в физическом и умственном развитии.

34

ЛЕКЦИЯ № 7. Химия нуклеиновых кислот. Обмен хромопротеинов

1. Биосинтез ДНК

Различают три основных этапа реализации генетической ин-формации.

Репликация ДНК является ключевой функцией делящейсяклетки и частью таких биологических процессов, как рекомби-нация, транспозиция и репарация. На втором этапе, названномтранскрипцией, генетическая информация, записанная в пер-вичной структуре ДНК, переписывается в нуклеотидную после-довательность РНК (т. е. синтез молекулы РНК на матрицеДНК). На третьем этапе, называемом трансляцией, генетиче-ская информация, содержащаяся уже в нуклеотидной последо-вательности молекулы РНК, переводится в аминокислотнуюпоследовательность белка.

ДНК представляет собой две длинные спиральные поли-нуклеотидные цепи, закрученные вокруг одной оси, цепи ориен-тированы в противоположных направлениях. Сахарофосфат-ный остов лежит снаружи двойной спирали, а азотистые (пури-новые и пиримидиновые) основания — внутри. Цепиудерживаются вместе водородными связями между парами ос-нований: аденин — тимин, гуанин — цитозин, т. е. цепи комп-лементарны. Генетическая информация закодирована последо-вательностью азотистых оснований вдоль цепи.

Этапы биосинтеза ДНКУсловно механизм синтеза может быть подразделен на три этапа.1. Инциация биосинтеза ДНК является началом синтеза до-

черних нуклеотидных цепей и сводится к ферментативному био-синтезу на матрице ДНК необычного затравочного олигорибо-нуклеотида (праймера) со свободной гидроксильной группой у С-3` рибозы. При инициации к цепям ДНК последовательно при-соединяются ДНК-связывающие и ДНК-раскручивающие белки,а затем комплексы ДНК-полимераз и ДНК-полимераза (праймаза).

2. Элонгация синтеза ДНК включает стадию репликации обеихматеринских цепей ДНК и стадию связывания друг с другомфрагментов новообразуемых цепей ДНК. Первая стадия осуществ-ляется при помощи ДНК-полимеразы III, причем синтез на одной це-пи идет непрерывно, на другой — фрагментарно. Фрагменты синте-зируются раздельно, начиная с праймера, который можетпереноситься с готового фрагмента при помощи одного из белковыхфакторов репликации в точку старта биосинтеза последующегофрагмента, направляемого противоположно по биспиральной моле-куле ДНК. Второй этап завершается отделением олигорибонуклео-тидных праймеров, объединением отдельных фрагментов ДНК припомощи ДНК-лигаз и формированием дочерней цепи ДНК.

3. Этап терминации синтеза ДНК наступает скорее всего, ког-да исчерпана ДНК-матрица и трансферазные реакции прекраща-ются. Точность репликации ДНК чрезвычайно высока.

2. Биосинтез РНК, биогенез мРНК

РНК по структуре напоминает ДНК, отличие заключается в со-держании дезоксирибозы, а не рибозы, а вместо тимина присут-ствует урацил. Молекулы РНК, как и ДНК, — это полимерные це-пи, состоящие из нуклеотидов, связанные через остатки фосфорнойкислоты. Степень упорядоченности молекул РНК ниже, чем ДНК.Существуют три основных типа РНК. Три более тяжелые РНКпроисходят из рибосом и являются рибосомальными (рРНК), двеиз них принадлежат большей субчастице рибосомы, третья входитв состав малой частицы. В рибосомах молекулы РНК связаныс белком. Информационная или матричная РНК (мРНК) служитматрицей для синтеза белка. Каждому работающему гену или груп-пе генов соответствует своя молекула мРНК. Транспортная РНК(тРНК) переносит аминокислоты в активированной форме к рибо-сомам, где они соединяются в пептидные цепи в определенной по-следовательности, которую задает РНК-матрица (мРНК). Для каж-дой из 20 аминокислот имеется по крайней мере одна тРНК.

На матрице ДНК комплементарно строится полирибонуклео-тид, являющийся копией первичной структуры ДНК, с тойтолько разницей, что у тимидилового нуклеотида ДНК в РНКвключается УМФ. Процесс образования молекулы мРНК на мат-рице ДНК — биогенез мРНК — представляется относительно

35

простым и включает главным образом транскрипцию соответ-ствующего гена при участии РНК-полимеразы. Последователь-ность нуклеотидов в молекуле мРНК начинается с пары ГУ (гуа-нин — урацил) и заканчивается парой АГ (аденин — гуанин).Эти последовательности служат сайтами (местами) узнаваниядля ферментов сплайсинга (созревания). Почти во всех эукарио-тических клетках синтезированные на структурных генах пер-вичные транскрипты подвергаются процессингу, прежде чемвыполнят свои уникальные функции в белковом синтезе. Про-цессинг включает в себя следующие основные процессы:

1) образование шапочки (кэпирование), химический смыслкоторого в присоединении остатка 7-метилгуанозина к кон-цу молекулы мРНК;2) нуклеолитические и лигазные реакции (сплайсинг);3) терминальные реакции полиаденилирования;4) химические модификации остатков нуклеозидов (мети-лирование).

3. Биогенез тРНК и рРНК, синтез РНК на матрице РНК

Транспортные РНК в клетке выполняют адапторную функ-цию при трансляции информационной мРНК в первичнуюструктуру белка. В процессе модификации происходит образо-вание акцепторного участка на 3`-конце молекулы, к которомуприсоединяется аминокислота. Помимо акцепторного и антико-донового участков, тРНК содержат специфические участки узна-вания ферментов — аминоацил-тРНК-синтетаз и участки связы-вания с большими субчастицами рибосом.

Биогенез рибосомных РНК осуществляется из предшествен-ника прерибосомной РНК. Под действием специфических нук-леаз и метилаз из этого общего предшественника в результатепроцессинга сначала образуются промежуточные рибосомныеРНК, которые, подвергаясь дальнейшей нуклеазной атаке и ме-тилированию, превращаются в зрелые молекулы.

Синтез РНК на матрице РНК. ДНК-зависимая РНК-полимера-за может осуществлять транскрипцию ДНК нормальных клетоки клеток ДНК-вирусов. В случаях, когда в геноме вируса вместоДНК содержится РНК, вирусная РНК индуцирует образованиев клетках хозяина РНК-зависимой РНК-полимеразы, которая

36

участвует в репликации вирусной РНК (РНК-репликаза). На пер-вой стадии РНК-репликаза на матрице РНК-вируса специфиче-ски строит комплементарную с противоположной полярностьюцепь РНК. Последняя на второй стадии служит матрицей длясинтеза РНК, совершенно однотипной исходной вирусной РНК.Обе стадии катализируются одним и тем же ферментом.

4. Распад нуклеиновых кислот

Полимерные молекулы нуклеиновых кислот расщепляютсяв тканях преимущественно гидролитическим путем при участииспецифических ферментов, относящихся к нуклеазам. Различаютэндонуклеазы, разрывающие внутренние межнуклеотидные связив молекуле ДНК, и РНК, вызывающие деполимерацию нуклеино-вых кислот с образованием олигонуклеотидов, а также экзонуклеа-зы, катализирующие гидролитическое отщепление концевых моно-нуклеотидов от ДНК и РНК или олигонуклеотидов.

Помимо гидролитических нуклеаз, имеются ферменты, катали-зирующие распад нуклеиновых кислот (например, посредствомтрансферазной реакции). Дезоксикрибонуклеазы I катализируютразрыв внутренних фосфодиэфирных связей, дезоксирибонуклеа-зы II вызывают деполимеризацию молекулы ДНК в результатепарных разрывов фосфодиэфирных связей обеих цепей ДНК. Ри-бонуклеазы I катализируют гидролитический распад РНК, онигидролизуют фосфодиэфирные связи внутри молекулы РНК.Группа ДНК-гликозидаз участвует в отщеплении модифицирован-ных пуриновых и пиримидиновых оснований.

5. Биосинтез гемоглобина

Биосинтез гемоглобина включает в себя:1) синтез полипептидных цепей глобина, который общим ме-ханизмом синтеза белков α- и β-цепи синтезируются порознь наполисомах, содержащих по пять рибосом. Особенность процес-са состоит в том, что по окончании сборки α-цепь высвобожда-ется и присоединяется к β-цепи;2) синтез гема; предшественники гема — глицин и сукцинил-КоА, фермент аминолевулинасинтетаза, аминолевулиновая ки-слота — порфобилиноген — уропофириноген, который модифи-

37

цируется в протопорфирин IX. Заключительный этап — присо-единение железа — ведет к образованию гема. Гем — регуляторсинтеза полипептидных цепей гемоглобина. При низком содержа-нии гема в ретикулоцитах активизируется ингибитор инициациисинтеза белка этих клеток, и образование глобина замедляется.Функции гемоглобина — транспорт кислорода и диоксида

углерода.Распад гемоглобинаСредняя продолжительность жизни эритроцитов у человека

120 дней, в нормальных условиях ежедневно 1/120 часть эритро-цитов и гемоглобина разрушается и заменяется новыми эритроци-тами и молекулами гемоглобина. Эритроциты разрушаются в ре-тикулоэндотелиальной системе. Высвободившийся гемоглобинтранспортируется при участии гаптоглобина в селезенку, печень,костный мозг, где и разрушается. Последовательность разрушениягемоглобина:

1) раскрытие пирольного кольца с образованием вердоглобина;2) удаление железа с получением биливердоглобина;3) отщепление глобина с образованием биливердина;4) восстановление гамма-метиновой группы с получениембилирубина.Высвободившееся железо поступает в костный мозг и ис-

пользуется повторно в синтезе гемоглобина. Билирубин токомкрови доставляется в печень в составе комплекса с альбуминоми отчасти в комплексе с металлами, аминокислотами, пептида-ми. В гепатоцитах билирубин эстерефицируется при участииУТФ-глюкуронил-трансферазы, превращаясь в моно- и диглю-курониды. Неэстерифицированный билирубин называется сво-бодным, эстерифицированный — связанным, или прямым.

Билирубинглюкурониды выделяются гепатоцитами в желч-ные ходы в составе желчи, в двенадцатиперстной кишке подвлиянием микрофлоры и последовательных реакций восстановле-ния преобразуются в мезобилиноген, часть которого удаляетсяс калом в виде стеркобилиногена, который окисляется кислоро-дом воздуха в стеркобилин.

Остальной мезобилиноген всасывается отчасти в общий крово-ток и выделяется с мочой в виде уробилиногена, отчасти — в ка-пилляры портальной вены, извлекается гепатоцитами и секрети-руется в желчные ходы.

38

ЛЕКЦИЯ № 8. Общие требования к синтезу белка

1. Составные части белоксинтезирующей системы, рибосомы и аминоацил-тРНК-синтетазы

В синтезе белка в рибосомах (трансляции) последователь-ность расположения нуклеотидов в мРНК определяет первич-ную структуру белка, т. е. строго упорядоченную последова-тельность расположения отдельных аминокислот в молекулесинтезируемого белка. Составляющей частью биосинтеза белкаявляется белоксинтезирующая система:

1) 20 аминокислот, входящих в состав белковых молекул;2) как минимум, 20 разных тРНК, обладающих специфич-ностью к определенному ферменту и аминокислоте;3) набор как минимум, 20 различных ферментов — амино-ацил-тРНК-синтетаз, также обладающих двойной специфично-стью к какой-либо определенной аминокислоте и одной тРНК;4) рибосомы (полисомы), состоящие из 4—12 монорибосомс присоединенной к ним матричной мРНК;5) АТФ и АТФ-генерирующая система ферментов;6) ГТФ, принимающий специфическое участие в ини-циации и элонгации синтеза белка в рибосомах;8) мРНК в качестве главного компонента системы, несущейинформацию о структуре белка, синтезирующего в рибосоме;9) белковые факторы, участвующие в синтезе на разныхуровнях трансляции.Рибосомы химически представляют собой нуклеопротены,

состоящие только из РНК и белка, пространственная структуратрехмерная, рРНК происходит из общего предшественника всехклеточных РНК, синтезирующегося на матрице ДНК в ядре, ри-босомальные белки имеют цитоплазматическое происхождение,затем они транспортируются в ядрышки, где происходит спонтан-ное образование рибосомальных субчастиц. Аминоацил-тРНК-син-

39

тетазы — специфические ферменты, катализирующие активирова-ние аминокислот и связывание последних с определенными тРНК.Ферменты обладают абсолютной специфичностью действия, узна-ют только одну аминокислоту, в белковом синтезе узнавание ами-ноацил-тРНК основано не на природе аминокислоты, а на химиче-ской природе антикодона тРНК. Аминоацил-тРНК-синтетазы в активном центре содержат гистидин, имидазольное кольцо кото-рого участвует в связывании АТФ посредством ионов магния.

2. Транспортные и матричные РНК, природа генетического кода

В настоящее время известно 60 различных тРНК. Для каж-дой аминокислоты в клетке имеется по крайней мере одна спе-цифическая РНК. Аминокислоты присоединяются к свободной3`-ОН-группе концевого аденилового мононуклетида путем об-разования эфирной связи, имеют первичную структуру. Тими-дин-псевдоуридин-цитидиловая петля обеспечивает связыва-ние аминоацил-тРНК с поверхностью рибосомы. МатричнаяРНК обеспечивает перенос информации от ДНК в ядре, где она син-тезируется под действием ДНК-зависимой РНК-полимеразы до цито-плазмы, соединяется с рибосомами и служит матрицей, на которойпроисходит синтез белка. Природа генетического кода. Генетиче-ская информация, закодированная в первичной структуре ДНК, пе-реводится еще в ядре в нуклеотидную последовательность мРНК,но каким образом эта информация передается на белковую молекулу,долго было неясно. В нуклеотидной последовательности молекулымРНК имеются кодовые слова для каждой аминокислоты — гене-тический код, который заключается в определенной последова-тельности расположения нуклеотидов в молекуле ДНК. Для коди-рования всех аминокислот белковой молекулы достаточно взятьтриплетный код, тогда число возможных комбинаций составит64. Представлены не только состав, но и последовательность три-плетов всех кодонов, ответственных за включение каждой из 20 аминокислот белковой молекулы.

Генетический код для аминокислот — вырожденный, т. е. по-давляющее большинство аминокислот кодируется несколькимикодонами.

Генетический код непрерывен. Нет сигналов, указывающих наконец одного кодона и начало другого, т. е. код линеен.

40

ЛЕКЦИЯ № 9. Синтез и постсинтетическая модификация белка

1. Синтез белка и его транспорт через мембраны

Синтез белка (трансляция) представляет собой циклическийэнергозависимый многоступенчатый процесс, в котором сво-бодные аминокислоты полимеризуются в генетически детер-минированную последовательность с образованием полипеп-тидов.

Процесс состоит из двух этапов:1) активирования аминокислот. Аминокислоты для синтезабелка должны располагать своим внутренним запасом энер-гии, активация свободных аминокислот осуществляется припомощи специфических ферментов аминоацил-тРНК-инте-таз в присутствии АТФ;2) собственно процесса трансляции.Собственно трансляция. Второй этап матричного синтеза

белка условно разделяется на три стадии:1) инициацию;2) элонгацию;3) терминацию.Инициация трансляции требует наличия в системе, помимо

рибосом, инициаторной аминоацил-тРНК, инициирующих ко-донов в составе мРНК и белковых факторов инициации. N-формилметионил-тРНК является первой аа-тРНК, котораяопределяет включение N-концевого остатка аминокислотыи тем самым начало трансляции. Процесс формилированияимеет важный химический и биологический смысл, предотвра-щая участие NH2-группы аминокислоты в образовании пептид-ной связи и обеспечивая тем самым синтез белка в направленииNH2-СООР. Образовавшаяся формилметионил-тРНК первойсвязывается в определенном участке с субчастицей рибосомыи с мРНК.

41

Элонгация начинается со связывания следующей аа-тРНК(аминокислотный остаток которой является вторым с конца послеформилметионина) с белковыми факторами и присоединения всегокомплекса к аминоацильному центру в соответствии с кодовым трип-летом на мРНК, энергия обеспечивается гидролизом ГТФ. В про-цессе дальнейшей реакции остаток формилметионина переноситсяна свободную NH2-группу аа-тРНК, и замыкается первая пептиднаясвязь в будущей цепи, параллельно высвобождается тРНК в цито-золь. На стадии элонгации происходит последовательное наращива-ние полипептидной цепи по одной аминокислоте в строгом соответ-ствии с порядком триплетов (кодонов) в молекуле мРНК.Терминация трансляции. После того как терминирующий кодонмРНК займет свое место в аминоацильном центре рибосомы, к не-му не присоединяется тРНК. Отсутствуют антикодоны, узнающиеэтот терминальный сигнал, а присоединяется один из белковых фак-торов терминации, и блокируется дальнейшая элонгация цепи.

2. Транспорт синтезированных белков через мембраны

Экспортируемые белки, которые функционируют вне клетки,переносятся через клеточную мембрану при помощи особых низко-молекулярных пептидов, получивших название сигнальных. Ихособенность состоит в преимущественном содержании гидрофоб-ных радикалов, что позволяет им легко проникать через бислойнуюлипидную мембрану или встраиваться в мембрану. Сигнальные по-следовательности в рибосомах легко узнаются рецепторнымиучастками мембраны эндоплазматической сети, образуется комп-лекс между мРНК, рибосомой и мембранными рецепторными бел-ками, формируя канал в мембране, через который сигнальный пеп-тид проникает внутрь цистерны эндоплазматической сети, увлекаяза собой синтезируемую молекулу секреторного белка.

Постсинтетическая модификация белковСинтезированная на рибосоме в строгом соответствии с ге-

нетической программой линейная полипептидная цепь уже со-держит конформационную информацию. У биологически неак-тивных молекул функциональная активность проявитсяпозднее в результате постсинтетической или посттрансляцион-ной модификации. Подобные модификации структуры поли-

42

пептидов начинаются еще до окончания формирования третич-ной структуры белковой молекулы и включают:

1) протеолитическое удаление сигнального пептида;2) отщепление начального N-концевого метионина;3) посттрансляционную химическую модификацию белков,затрагивающую радикалы аминокислот: ковалентное присо-единение простетической группы к молекуле белка, гликозили-рование, гидроксилирование остатков пролина, метилирова-ние, карбоксилирование, ацетилирование ряда N-концевыхаминокислот, фосфорилирование.Матричный механизм синтеза лежит в основе синтеза почти

всех белков живых организмов, но синтез ряда низкомолеку-лярных пептидов может осуществляться не только без участиянуклеиновых кислот, но даже при отсутствии рибосом.

3. Регуляция синтеза белка

Количество и разнообразие белков (в частности, ферментов)определяются степенью их участия в метаболизме. Интенсив-ность обмена регулируется скоростью синтеза белка и параллель-но контролируется аллостерическим путем. Сущность общей тео-рии регуляции синтеза белка сводится к «выключению» или«включению» генов как функционирующих единиц в процесс пере-дачи закодированной в структурных ге нах ДНК генетической ин-формации для синтеза специфических белков. В биосинтезе бел-ка у бактерий участвуют:

1) структурные гены; 2) ген-регулятор;3) ген-оператор.Структурные гены определяют первичную структуру синте-

зируемого белка, именно эти гены в цепи ДНК являются осно-вой для биосинтеза мРНК, которая затем поступает в рибосомуи служит матрицей для биосинтеза белка.

Синтез мРНК на структурных генах молекулы ДНК непосред-ственно контролируется определенным участком, называемымгеном-оператором, который служит пусковым механизмом дляфункционирования структурных генов, локализован на крайнемотрезке структурного гена. Считывание генетического кода, т. е.формирование мРНК, начинается с промотора — участка ДНК,

43

являющегося точкой инициации для синтеза мРНК, и далее расп-ространяется последовательно вдоль оператора и структурных генов. Кодированный одним оператором одиночный ген илигруппа структурных генов образуют оперон. Деятельность опе-рона находится под контролем другого участка цепи ДНК, полу-чившего название гена-регулятора. Связь между структурным ге-ном и геном-регулятором осуществляется белком-посредником,названным репрессором. Образование репрессора происходитв рибосомах ядра на матрице специфической мРНК, синтезиро-ванной на гене-регуляторе. Репрессор имеет сродство с геном-оператором и обратимо соединяется с ним в комплекс. Образова-ние такого комплекса приводит к блокированию синтеза мРНК,следовательно, к синтезу белка, т. е. функция гена-регулятора со-стоит в том, чтобы через белок-репрессор прекращать деятель-ность структурных генов, синтезирующих мРНК. Репрессор так-же обладает способностью строго специфически связыватьсяс определенными низкомолекулярными веществами, называемы-ми индукторами, или эффекторами. Когда такой индуктор соеди-няется с репрессором, последний теряет способность связыватьсяс геном-оператором, который таким образом выходит из-под конт-роля гена-регулятора, и начинается синтез мРНК.

Синтез мРНК, контролирующий синтез белка в рибосомах, зави-сит от функционального состояния репрессора. Концентрация рядаферментов в клетках резко снижается при увеличении концентра-ции отдельных конечных продуктов. Такой эффект называетсярепрессией ферментов, конечный продукт выступает в качестве ко-репрессора. Им является не свободная аминокислота как конечныйпродукт биосинтетической реакции, а комплекс ее с тРНК-аа-тРНК.

В регуляции экспрессии структурных генов специфическоеучастие принимает особый белок — ген-активирующий белок (САР),который взаимодействует с цАМФ, образуя комплекс, способствую-щий прикреплению РНК-полимеразы к промоторному участку гено-ма. В присутствии комплекса САР-цАМФ фермент может начатьтранскрипцию оперона, включая структурные гены, т. е. в клеткахимеется дополнительный САР-цАМФ регулятор, действующий в ка-честве положительного регулятора, поскольку его присутствиенеобходимо для начала экспрессии гена. Нарушение или выпадениелюбого звена, участвующего в синтезе белка, почти всегда приводятк патологии.

44

ЛЕКЦИЯ № 10. Хромопротеины и нуклеопротеины

1. Определение хромопротеинов. Гемо- и флавопротеины

Хромопротеины — сложные белки, состоящие из простогобелка и окрашенного небелкового компонента. Среди них выде-ляют гемопротеины, магнийпорфирины и флавопротеины. Хромо-протеины участвуют в фотосинтезе, клеточном дыхании, окисли-тельно-восстановительных реакциях, обеспечивают переноскислорода и углекислого газа, свето- и цветовосприятие и др.

Гемопротеины — это хромопротеины, содержащие в качествепростетической группы железо. К ним относятся гемоглобин и егопроизводные, миоглобин, ферменты (система цитохромов, каталазаи пероксидаза) и хлорофиллсодержащие белки. Гемоглобин — слож-ный белок, содержащий в качестве белкового компонента глобин,а в качестве простетической группы — гем. Гем одинаков у всех ви-дов гемоглобина, его основу составляет порфириновое кольцо.

45

Железо связано с двумя атомами азота молекулы протопор-фирина ковалентно и с двумя — координационными связями.

Гем в виде гем-порфирина является простетической группой ге-моглобина и его производных, миоглобина, каталазы, пероксидазы и цитохромов b, c и c1. В цитохромах a и a3 гем содержится в виде фор-милпорфирина. На каждые четыре молекулы гема приходится 1 по-липептидная цепь. В молекуле гемоглобина взрослого человека HbA(с англ. adult — «взрослый») содержатся четыре полипептидных це-пи, составляющих белковую часть молекулы — глобин: две β-цепипо 141 аминокислотному остатку и две α-цепи по 146 аминокислот-ных остатков. В крови взрослого человека также содержится HbA2,состоящий из двух δ-цепей и двух α-цепей, а в крови новорожденно-го — HbF (80%), состоящий из двух α-цепей и двух γ-цепей.

Существует ряд аномальных гемоглобинов, возникающихвследствие мутаций генов: HbC, HbDα, HbDβ, HbE, HbG, HbGpH,HbI, HbM, HbO и HbS. Болезни гемоглобинов — гемоглобинозы —подразделяются на гемоглобинопатии (в основе лежит наследствен-ное нарушение структуры цепи гемоглобина) и талассемии (обуслов-лены наследственным нарушением синтеза цепи гемоглобина).Классический пример наследственной гемоглобинопатии — серпо-видно-клеточная анемия, при которой HbS деформирует эритроци-ты, принимающие форму серпа, и приводит к массивному гемолизу.В результате соединения молекулярного кислорода с гемоглобиномобразуется оксигемоглобин. Кислород присоединяется к гему при

46

помощи координационной связи железа. Присоединение одной моле-кулы кислорода к гему облегчает присоединение последующей. Ге-моглобин также легко связывается с угарным газом с образованиемкарбоксигемоглобина и с оксидами азота с образованием метгемогло-бина, содержащего ионы Fe. Накопление этих видов гемоглобинав крови приводит к снижению снабжения тканей кровью. Метод ка-чественного определения производных гемоглобина — исследова-ние их спектров поглощения. Трансферрины (сидерофилины) —сложные белки, характеризующиеся способностью специфично,прочно и необратимо связывать ионы Fe и других переходныхметаллов. Трансферрин сыворотки крови транспортирует ионыFe в ретикулоциты, где происходит синтез гемоглобина.

Флавопротеины — сложные белки, простетические группыкоторых представлены изоаллоксазиновыми производными —флавинмононуклеотидом (ФМН) и флавинадениндинуклеотодом(ФАД). Флавопротеины входят в состав ферментов, катализирую-щих окислительно-восстановительные реакции в клетке (оксидо-редуктаз). К ним относятся ксантиноксидазы, альдегидоксидазы,сукцинатдегидрогеназы, дигидрооротатдегидрогеназы, ацил-КоА-де-гидрогеназы и транспортирующего электроны флавопротеина.

2. Нуклеопротеины и липопротеины

Нуклеопротеины — сложные белки, содержащие в качествепростетической группы нуклеиновые кислоты. В природе сущест-вует два типа нуклеопротеинов — рибонуклеопротеины (РНП) и дезоксирибонуклеопротеины (ДНП). Названия их отражают при-роду углевода, входящего в состав нуклеиновых кислот, — у РНПэто рибоза, у ДНП — лезоксирибоза. Преимущественная локали-зация ДНП — в ядре клетки, РНП — в цитоплазме.

ДНК входит в состав мононуклеосом — составных частейхромосомы. ДНК и белковые молекулы образуют филаменты(нити), толщина которых определяется белками, а длина — мо-лекулярной массой ДНК. Всего в хромосомах содержатся ДНК,пять классов белков-гистонов и негистоновые белки. Количест-во ДНК в ядре составляет до 6 × 10—12 г на одну клетку. Гистоны нуклеопротеинов представлены следующими классами:

1) H1 — богатые лизином;2) H2A — богатые аргинином и лизином;

47

3) H2B — умеренно богатые аргинином и лизином;4) H3 — богатые аргинином;5) H4 — богатые аргинином и глицином.Негистоновые белки — кислые белки, в их состав входят слож-

ные белки, ферменты и регуляторные белки. Количество нуклеи-новой кислоты в нуклеопротеинах колеблется в пределах 40—65%у про- и эукариот и не превышает 2—5% от общей массы нуклео-протеинов у вирусов. Важной особенностью нуклеопротеинов явля-ется их способность к полному восстановлению структуры и функ-ции после разъединения белка и нуклеиновой кислоты.

Липопротеины — сложные белки, простетическая группа ко-торых представлена каким-либо липидом (нейтральными жира-ми, жирными кислотами, фосфолипидами или холестеридами).

Липопротеины входят в состав клеточной мембраны, биомемб-ран ядра и митохондрий, микросом, присутствуют в свободном состоянии в плазме крови. Липопротеины участвуют в организациимиелиновых оболочек, нервной ткани, хлоропластов, фоторецептор-ной и электронно-транспортой систем и др. Липопротеины синтези-руются в печени и в слизистой оболочке кишечника. Они состоят изгидрофобного липидного ядра, покрытого гидрофильными липида-ми, и белковой оболочки, состоящей из апобелков (апо-AI, AII, B, CI,CII, CIII, D и E). Могут содержать до 5% белков (таких как глюкоза,галактоза, гексозамины, фукоза, сиаловая кислота). В зависимости отплотности при ультрацентрифугировании различают липопротеиныочень низкой плотности (ЛПОНП), низкой плотности (ЛПНП), вы-сокой плотности (ЛПВП) и очень высокой плотности (ЛПОВП).При электрофорезе выделяется также фракция хиломикронов. Бел-ковый компонент связывается с липидами посредством нековалент-ных сил различной природы. Если простетической группой являют-ся фосфолипиды, то они связываются с белком ионной связью.

3. Фосфопротеины и гликопротеины

Фосфопротеины — сложные белки, содержащие в качествепростетической группы остаток фосфорной кислоты. К ним отно-сятся казеиноген молока, вителлин, втиеллинин и фосвитин желт-ка куриного яйца, овальбумин белка куриного яйца, икры рыби др. Фосфорная кислота связывается с белком сложноэфирнойсвязью через OH-группы β-оксиаминокислот (серина и треонина).

48

Фосфопротеины содержат органически связанный фосфат,необходимый для нормальной жизнедеятельности клетки. Онитакже являются энергетическим и пластическим материаломклетки.

Гликопротеины — сложные белки, содержащие в качествепростетической группы гетероолигосахариды.

Гликоконъюгат — ковалентно связанные углеводный ком-понент (гликановая фракция) и белковый компонент (агликано-вая фракция).

Гликановая фракция состоит из 2—15 мономеров гексоз (га-лактозы, маннозы или глюкозы) или пентоз (ксилозы, арабино-зы) и конечного углевода (N-ацетилгалактозамина, L-фукозыили сиаловой кислоты).

Белки с гликановой фракцией соединены посредством O-гликозидных (с OH-группами серина, треонина и оксилизи-на), N-гликозидных (с амидными группами аспарагина, глута-мина или ω-NH2-группами лизина и аргинина) и эфирных гликозидных связей (со свободными COOH-группами глутами-новой и аспарагиновой кислот).

Синтез гликопротеинов происходит в рибосомах эндоплазма-тической сети, затем идет постсинтетическое гликозилирование,при котором олигосахаридная часть, соединенная с липиднымпереносчиком долихолфосфатом, переносится на полипептид-ную цепь.

Интерфероны — гликопротеины, ингибирующие размноже-ние вирусов.

Различают α-, β-, и γ-интерфероны, образующиеся в клеткев ответ на внедрение вирусов. Иммуноглобулины — это глико-протеины, выполняющие защитную функцию: они обезврежива-ют антигены любой химической природы. Синтезируются в плаз-моцитах.

Различают пять классов иммуноглобулинов: IgG, IgM, IgA, IgDи IgE.

49

Таблица 1Свойства иммуноглобулинов человека

К гликопротеинам относятся все белки плазмы крови, кромеальбуминов, трансферрин, церулоплазмин, гонадотропные гор-моны, некоторые ферменты, гликопротеины в составе слюны(муцин), хрящевой, костной ткани и яичного белка (овомукоид).

4. Протеогликаны и металлопротеины

Протеогликаны — сложные белки, состоящие из белка и гли-козаминогликанов (мукополисахаридов). Гликозаминогликаны —линейные неразветвленные полимеры, состоящие из дисахарид-ных единиц. В организме в свободном состоянии не встречаются.Существует шесть основных классов глюкозаминогликанов.

1. Гиалуроновая кислота.Cодержится в матриксе соединительной ткани.

50

Свойство IgG IgM IgA IgD IgE

Коэффициентседиментации

6,5—7 19 7 8 8,2

Молекулярнаямасса

150 000 950 000 180 000 175 000 200 000

Углеводныйсостав, %

2—3 10—12 8—10 12,7 10—12

Концентрацияв крови, мг%

1300 140 210 3 0,1

Периодполужизни,

дни8—21 5,1 5,8 2,8 2—3

остаток D-глюкуроновойкислоты

остаток N-ацетилгалактозамин-

4-сульфата

2. Хондроитин-4-сульфат. Cодержится в матриксе соединительной ткани.

3. Хондроитин-6-сульфат.Cодержится в матриксе соединительной ткани.

4. Дерматансульфат.Cодержится в коже.

5. Кератансульфат.Содержится в роговице глаза и хрящевой ткани.

51

остаток L-идуроновойкислоты

остаток N-ацетилгалактозамин-

4-сульфата

остаток D-глюкуроновойкислоты

остаток N-ацетилгалактозамин-

6-сульфата

остаток D-глюкуроновойкислоты

остаток N-ацетилгалактозамина

6. Гепарин.Гликозаминогликан-антикоагулянт.

Металлопротеины — биополимеры, содержащие, помимобелка, ионы металла. К ним относятся белки, содержащие неге-мовое железо, и белки, координационно связанные с ионамиметаллов в составе ферментов (табл. 2).

Таблица 2Металлопротеины

52

МеталлТип

биомолекулыЛиганд

Биологическаяфункция

Fe2+, Fe3+

Гемоглобин, мио-глобин, каталаза,пероксидаза, ме-

таллофлавопротеи-ны, цитохромы,железосерные

белки, трансфер-рин, ферритин,

нитрогеназа

Гемопорфирины, S,изоаллоксазин

Транспорт O2и CO2, окисли-

тельно-восстано-вительные реак-ции, транспорт

и депонированиежелеза, восстанов-

ление N2 в NH3

остаток D-глюкуроновойкислоты

остаток N-ацетилглюкозамин-6

сульфата

остаток D-глюкуронат-2-сульфата

остаток N-ацетилглюкозамин-6

сульфата

Окончание табл. 2

МеталлТип

биомолекулыЛиганд

Биологическаяфункция

Cu+, Cu2+Цитохромокси-даза, церуло-плазмин и др.

Азотистыеоснования

Окисление, депони-рование и транспорт

меди

Co2+

Витамин B12

и его кофермен-ты

Коррин, бензи-мидазол, ме-

тильная группа

Перенос метильнойгруппы, синтез ме-

тионина

Mn2+

Аргиназа, де-карбоксилазыаминокислот,

фосфотрансфе-разы и др.

Фосфат,имидазол

Декарбоксилирова-ние, перенос фос-

фатных групп

Mo2+

Нитрогеназа,нитратредукта-

за, ксантинокси-даза

Не идентифици-рован

Восстановление N2в NH3, окисление

пуринов

Zn2+, Mg2+,Ca2+

Карбоангидраза,пептидазы, фос-фатазы, НАД-

ферменты, инсу-лин

Имидазол, НАДСвязывание суб-стратов, разрывпептидной цепи

K+, Na+, Mg2+,Ca2+

Фосфоенолпи-руваткарбокси-

киназы, АТФазы

Транспорт и осво-бождение фосфат-

ных групп

ЛЕКЦИЯ № 11. Химический состави структура нуклеиновых кислот

1. Химический состав нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты — сложные высокомолекулярныесоединения, обеспечивающие хранение, передачу наследствен-ной информации и реализацию этой информации. Их структур-ные компоненты выполняют функции кофакторов, аллостериче-ских эффекторов, входят в состав коферментов, принимаютучастие в обмене веществ и энергии. При полном гидролизе нук-леиновых кислот образуются пуриновые и пиримидиновые основа-ния, углеводы (рибоза и дезоксирибоза) и фосфорная кислота.Углеводы — рибоза и дезоксирибоза — в молекулах нуклеиновыхкислот находятся в β-D-рибофуранозной форме:

54

Углевод в молекуле РНК представлен рибозой, а в молекулеДНК — дезоксирибозой, откуда и их названия. Основой струк-туры азотистых оснований являются пурин и пиримидин:

В составе нуклеиновых кислот встречаются три главных пи-римидиновых основания: цитозин, урацил и тимин:

Существуют также минорные пиримидиновые основания:5-метил и 5-оксиметилцитозин, дигидроурацил, псевдоурацил,1-метилурацил, оротовая кислота, 5-карбоксиурацил, 4-тио-урацил и др. Главные пуриновые основания, входящие в составнуклеиновых кислот, — это аденин и гуанин:

К минорным пуиновым основаниям относятся инозин, N6-метил-аденозин, N2-метилгуанозин, ксантин, гипоксантин, 7-метилгуанозини др.

Азотистые основания способны существовать в двух тауто-мерных формах: лактимной и лактамной (при pH 7,0 они находят-ся в лактамной форме, при снижении pH переходят в лактимнуюформу).

Все оксипроизводные природных нуклеиновых кислот нахо-дятся в лактамной форме.

55

пурин пиримидин

цитозин урацил тимин

аденин гуанин

2. Особенности структуры нуклеиновых кислот

Существует ряд закономерностей состава и количественно-го содержания азотистых оснований в нуклеиновых кислотах(правила Чаргаффа).

1. Молярная доля пуринов равна молярной доле пиримиди-нов: А + Г = Ц + Т или (А + Г) / (Ц + Т) = 1.

2. Количество аденина и цитозина равно количеству гуани-на и тимина: А + Ц = Г + Т или (А + Ц) / (Г + Т) = 1.

3. Количество аденина равно количеству тимина, а коли-чество гуанина равно количеству цитозина: А = Т и Г = Ц илиА / Т = 1 и Г / Ц = 1.

4. Коэффициент специфичности (Г + Ц) / (А + Т) для живот-ных и большинства растений ниже 1 (0,54—0,94), у микроорга-низмов он может быть выше 1 (0,45—2,57).

Структурными единицами нуклеиновых кислот являютсянуклеотиды, состоящие из азотистого основания, углеводаи фосфорной кислоты, причем углевод занимает центральноеместо:

56

лактим лактам

Пентоза соединена с остатком фосфорной кислоты сложноэфир-ной связью, а с азотистым основанием — N-гликозидной связью.При отщеплении фосфорной кислоты образуются нуклеозиды. В ка-честве радикала R может выступать H- либо OH-группа. Различаютпять типов мононуклеотидов в зависимости от азотистого основа-ния — АМФ, ГМФ, УМФ, ЦМФ и ТМФ. Мононуклеотиды , присо-единив к себе еще один остаток фосфорной кислоты, образуют нук-леозиддифосфаты. При присоединении еще одного остаткафосфорной кислоты образуются нуклеозидтрифосфаты. Только нук-леозидтрифосфаты используются для синтеза нуклеиновых кислот.

В организме существуют также циклические нуклеотиды:

57

Циклический 2′, 3′-АМФ образуется в качестве промежуточно-го продукта распада РНК, а циклический 3′, 5′-АМФ встречаетсяв свободном состоянии, играя роль медиатора внеклеточных сигна-лов у животных. Аналогичная функция у цГМФ, производных УДФи ЦТФ и нуклеотидов в составе кофакторов и коферментов.

Синтетические аналоги азотистых оснований, нуклеозидов и нук-леотидов используются в медицине (в онкологии). Встраиваясь в кле-точные компоненты, они оказывают цитотоксическое действие. К ним относятся 5-фторурацил, 6-тио и 6-меркаптопурин, 8-азагуа-нин, 6-азауридин и 6-азацитидин, 5-йодпроизводное дезоксиуридина.

3. Первичная структура нуклеиновых кислот

Первичная структура нуклеиновых кислот — это после-довательность расположения мононуклеотидов в полинуклео-тидной цепи.

Структура стабилизируется 3′, 5′-фосфодиэфирными связя-ми. В общем виде структура нуклеиновой кислоты выглядитследующим образом:

Межнуклеотидные связи образуют гидроксильные группы в 3′-и 5′-положениях пентоз. Молекула РНК состоит из одной полинук-леотидной цепи, молекулы большинства ДНК двухцепочечны.

Большинство клеточных РНК представлены одиночной поли-нуклеотидной цепочкой: 5′—Г—У—Г—Ц—А—А—…—У——Ц— Г—Ц—Ц—Ц—А—3′. На одном конце РНК обнаруживает-ся свободный монофосфорный эфир, этот конец принято обозначать как 5′-конец. На противоположном конце цепи (3′-конце) располагается нуклеотид со свободными 2′- и 3′-гид-роксильными группами. тРНК обладает рядом особенностей: 5′-концом ее всегда является гуаниловая или цитидиловая кисло-та с остатком фосфорной кислоты, на 3′-конце последователь-ность остатков мононукеотидов всегда постоянна — ЦЦА. На долю минорных нуклеотидов в структуре тРНК приходится 10%.

мРНК переносит генетическую информацию от ДНК на бе-локсинтезирующий аппарат клетки и определяет первичную

58

структуру синтезируемого белка. На 5′-конце мРНК содержитопределенную нуклеотидную последовательность, называемуюшапочкой (кэпом), на 3′-конце — полиадениловая последова-тельность (поли-А).

Первичная структура ДНК аналогична таковой у РНК, одна-ко в силу большой молекулярной массы молекул ДНК опреде-ление последовательности нуклеотидов затруднено. В настоя-щее время продолжается работа по расшифровке первичнойструктуры генома человека.

4. Вторичная и третичная структура нуклеиновых кислот

Вторичная структура нуклеиновых кислот — первыйуровень компактизации нуклеотидной цепи. Установлено, чтодве цепи молекулы ДНК образуют правовращающуюся спи-раль, в которой обе цепи вращаются вокруг одной и той же оси.Азотистые основания в такой структуре находятся внутри,а фосфорные и углеводные компоненты — снаружи (мо-дель Уотсона—Крика).

Азотистые основания в двухспиральной молекуле ДНК уло-жены парами: пуриновому основанию из одной цепи соответству-

59

ет пиримидиновое из другой, аденину соответствует тимин, а гуа-нину — цитозин. Такое избирательное взаимодействие называет-ся комплементарным, а соответствующие азотистые основания —комплементарными. Стабильность пары А — Т обеспечиваетсядвумя водородными связями, а пары Г — Ц — тремя. Длина свя-зей между основаниями около 0,3 нм.

Полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК имеют противопо-ложную полярность: одна цепь идет в направлении 3′— 5′, а дру-гая — в направлении 5′— 3′. Шаг спирали молекулы ДНК равен3,4 нм, диаметр двухспиральной молекулы составляет 1,8 нм.

В зависимости от количественного содержания воды и ион-ной силы окружающей среды конфигурация двойной спиралиДНК может меняться. Доказано существование шести формДНК, названных A, B, C, D, E и Z-формами. У A-формы отмеча-ется смещение пар оснований от центра к периферии, шаг спира-ли у этой формы меньше (2,8 нм), а диаметр спирали и количест-во нуклеотидов на витке больше, чем у B-формы, считающейсяклассической формой молекулы ДНК. В структуре A- и B-форм

60

параллельно фосфодиэфирному остову идут малая и большая бо-роздки — места присоединения белков. Z-форма имеет левоза-крученную конфигурацию, фосфодиэфирный остов расположензигзагообразно вдоль оси молекулы. Вторичная структура мат-ричных и рибосомных РНК изучена незначительно. Предполага-ется, что вторичная структура тРНК представляет собой образо-вание наподобие клеверного листа. Укладка РНК во вторичнуюструктуру всегда идет в соответствии с программой ДНК.

Третичная структура нуклеиновых кислот — второй уро-вень компактизации нуклеиновых кислот. Двойная спираль ДНКна некоторых участках может подвергаться суперспирализациис образованием суперспирали или кольцевой формы. Образова-ние супервитков катализируется специфическими ферментами —топоизомеразами. Суперспирали соединяются с белками-гистонами,располагающимися в бороздках, этим обеспечивается стабиль-ность третичной структуры ДНК.

Существует третичная структура тРНК, которая имеет боль-шую компактность по сравнению с вторичной структурой. Су-ществуют природные двухцепочечные РНК, обладающие сход-ной с ДНК-структурой (у реовирусов).

В стабилизации третичной структуры нуклеиновых кислотбольшое значение имеют вандерваальсовы силы.

ЛЕКЦИЯ № 12. Понятие о ферментах, их химическая природа и строение

1. Понятие о ферментах, их химическая природа и строение

Ферменты (энзимы) — класс высокоспециализированныхвеществ белковой природы, катализирующих большое числохимических реакций. Ферменты обеспечивают реализацию ге-нетической информации, обмен веществ и энергии.

Ферменты отличаются от неорганических катализаторов значи-тельно большей активностью и высокой специфичностью действия.Один фермент катализирует в основном только одну химическуюреакцию. Активность ферментов в клетках контролируется на гене-тическом уровне, а также посредством концентраций субстратаи продуктов реакций, катализируемых ими.

Химическая природа ферментовБольшинство ферментов является белками, что подтвержда-

ется потерей их биологической активности под действием раз-личных денатурирующих факторов, образованием аминокислотпри гидролизе, а также их выделением в виде кристаллов белка.

Ферменты амфотерны (могут существовать в растворе в видеанионов, катионов и амфионов), обладают электрофоретическойподвижностью благодаря наличию в них положительных и отри-цательных зарядов, неспособны к диализу через полупроницае-мые мембраны, легко осаждаются из водных растворов методамивысаливания. Молекулярная масса ферментов колеблется от де-сятков тысяч до нескольких миллионов. Оптимальная температу-ра для большинства ферментов равна температуре человеческоготела, оптимальное значение pH — 6,0—8,0.

Строение ферментовРазличают простые и сложные ферменты. Простые ферменты

представлены аминокислотными цепями и при гидролизе распа-даются только на аминокислоты. К ним относятся гидролитиче-ские ферменты — пепсин, трипсин, папаин, уреаза, лизоцим, ри-

62

бонуклеаза, фосфатаза и др. Большая часть природных фермен-тов является сложными белками и, помимо полипептидных це-пей, содержит небелковый компонент (кофактор), являющийсяабсолютно необходимым для белковой активности. Кофакторыимеют различную химическую природу и различаются по проч-ности связи с полипептидной цепью. Если при выделениии очистке кофактор не отделяется от полипептидной цепи, то та-кой фермент называется холоферментом (холоэнзимом), а ко-фактор — простетической группой. Полипептидная частьфермента называется апоферментом. Простетическая группа мо-жет быть связана с апоферментом ковалентными и нековалент-ными связями. Кофермент — дополнительная группа, легко от-деляющаяся от апофермента при диссоциации.

Простетические группы и коферменты активно участвуютв химических реакциях, играя роль переносчиков протонов,электронов или различных функциональных групп.

Кофактором называется любой фактор, абсолютно необхо-димый для выполнения белком его биологической роли. Им мо-гут быть любые небелковые органические молекулы или ионыметаллов. Кофактором может быть простетическая группафермента, если она не вовлечена в акт катализа, но являетсяфункционально существенной для фермента.

Кофактор и апофермент по отдельности не наделены биологи-ческой активностью, только их объединение в единое целое, про-текающее в соответствии с программой их структурной организа-ции, обеспечивает быстрое протекание химической реакции.

2. Активный центр ферментов

Молекулы субстратов, участвующих в химических реакци-ях, значительно меньше молекул ферментов. При образованиикомплекса «субстрат — фермент» во взаимодействие с субстра-том вовлекается ограниченная часть молекулы фермента.

Активный центр фермента — уникальная комбинация амино-кислотных остатков в молекуле фермента, которая обеспечиваетнепосредственное ее связывание с субстратом и участвует в актекатализа. У сложных ферментов в состав активного центра вхо-дят простетические группы. В активном центре различают ката-литический центр (участок, непосредственно вступающий в хи-

63

мическое взаимодействие с субстратом) и связывающий центр,или контактную площадку (участок, обеспечивающий специфи-ческое сродство к субстрату и образование его комплекса с фермен-том). В молекуле субстрата также есть функционально раз-личные участки — участок, избирательно связываемый ферментом, и участок, атакуемый ферментом:

Для идентификации аминокислотных остатков, входящих в со-став активного центра, используют специфические ингибиторыферментов (субстратоподобные вещества или аналоги кофермен-тов), методы ограниченного гидролиза в сочетании с химическоймодификацией (включает избирательное окисление, связывание,замещение остатков аминокислот и др.). Установлено, что фермен-ты, сходные по типу действия, могут иметь почти одинаковуюамино-кислотную последовательность в участках, примыкающихк функционально активным остаткам аминокислот.

Формирование активного центра фермента начинается на ран-них этапах его синтеза, когда линейная полипептидная цепь прев-ращается в трехмерное тело с определенной конфигурацией. Бе-лок со сформированной третичной структурой приобретаетфункциональную (в частности, каталитическую) информацию.Любые воздействия, приводящие к денатурации фермента (нару-шению его третичной структуры), нарушают структуру активногоцентра и ведут к потере ферментом каталитических свойств.При восстановлении нативной трехмерной структуры белка-фермента (ренатурации) восстанавливается и его каталитическаяактивность.

Наряду с активным центром в молекуле фермента может при-сутствовать аллостерический центр (от гр. allos — «иной» и ste-

64

связывающий центр

каталитическийцентр

активный центр

химотрипсин

ros — «пространственный, структурный») — участок молекулыфермента для связывания определенных, обычно низкомолеку-лярных веществ — эффекторов, или модификаторов, структуракоторых отличается от структуры субстратов. Эффектор при со-единении с аллостерическим центром фермента изменяет тре-тичную или даже четвертичную структуру фермента и структуруактивного центра фермента, что ведет к изменению каталитиче-ской активности фермента. Ферменты, активный центр которыхспособен изменять свою структуру и активность под действиемаллостерических эффекторов, связывающихся с аллостериче-ским центром, называются аллостерическими.

3. Изоферменты и мультимолекулярные ферментные системы

Изоферменты (изоэнзимы) — множественные формы фермен-та, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающиеся другот друга физико-химическими свойствами (сродством к субстрату,максимальной скоростью катализируемой реакции, электрофорети-ческой подвижностью или регуляторными свойствами). Существу-ют ферменты, состоящие из двух и более субъединиц, обладающихсобственной первичной, вторичной и третичной структурой. Субъ-единицы таких ферментов называют протомером, а всю олиго-мерную молекулу — мультимером. Процесс олигомеризации спо-собствует повышению стабильности фермента к действию денатурирующих агентов (нагреванию, действию протеиназ и др.).Протомеры соединены между собой нековалентными связями и лег-ко диссоциируют. Активность всего комплекса зависит от способаупаковки между собой отдельных субъединиц. Если субъединицымогут существовать более чем в одной форме, то и фермент, полу-ченный при объединении этих субъединиц, может существоватьв нескольких сходных, но не одинаковых формах. Такие формыфермента называются изоферментами, или изоэнзимами.

Фермент лактатдегидрогеназа состоит из четыре субъединиц двухтипов: H (heart — «сердце») и M (muscle — «мышца»). Существуетпять его изоферментов — HHHH (ЛДГ1), HHHM (ЛДГ2), HHMM(ЛДГ3), HMMM (ЛДГ4) и MMMM (ЛДГ5). Синтез H- и M-субъ-единиц запрограммирован разными генами и в разных органах идетпо-разному. Изоферменты ЛДГ обладают почти одинаковой катали-

65

тической активностью, но разными физико-химическими свойствами(молекулярной массой, электрофоретической подвижностью, отно-шением к активаторам и ингибиторам и др.).

Субъединицы могут иметь почти идентичную структуруи содержать по одному каталитически активному участку (β-га-лактозидаза, состоящая из четырех субъединиц), а могут бытьнеидентичными и проявлять ферментативную активность толь-ко в объединенном состоянии (триптофансинтаза).

Множественные формы фермента — белки, катализирую-щие одну и ту же реакцию и встречающиеся в организмах одно-го вида. Изоферменты — множественные формы ферментов,образующиеся вследствие генетически обусловленных разли-чий в первичной структуре белка.

Мультимолекулярные (надмолекулярные) ферментныесистемы — комплексы, состоящие из различных по строениюферментов, катализирующих последовательные ступени превра-щения определенного субстрата. Их особенностями являетсяпрочность ассоциации ферментов и определенная последователь-ность прохождения промежуточных стадий во времени, определяе-мая порядком расположения ферментов в пространстве. Молеку-лярная масса таких комплексов колеблется от 2,3 × 106 до 10 × 106. Образование подобных систем резко сокращает расстоя-ния, на которые перемещаются молекулы субстратов. Мульти-молекулярные ферментные системы могут быть структурно связан-ными с какой-либо органеллой (рибосомой, митохондрией) илис биомембраной, такие системы обеспечивают жизненно важныедля клетки функции (например, тканевое дыхание). К мультифер-ментным системам относятся пируватдегидрогеназный и α-кето-глутаратдегидрогеназный комплексы.

ЛЕКЦИЯ № 13. Механизм действия ферментов

1. Механизм действия ферментов

В химической реакции, катализируемой ферментом, фермент Eсоединяется с субстратом S, образуя нестойкий промежуточ-ный фермент-субстратный комплекс E-S, который в результатехимической реакции распадается с образованием ферментаи продуктов реакции P:

В процессе реакции выделяют несколько стадий: 1) присоединение молекулы субстрата к ферменту; 2) преобразование промежуточного соединения;3) отделение конечных продуктов реакции от фермента.В реакциях анаболизма (A + B = AB) фермент может взаимо-

действовать с субстратами по отдельности или вместе:

Реакции катаболизма также протекают с образованием про-межуточного фермент-субстратного комплекса:

В образовании фермент-субстратных комплексов участвуютнековалентные (водородные, координационные связи, гидро-фильно-гидрофобные взаимодействия) и ковалентные связи.

Большое значение в теории ферментативного катализа при-дается динамическим изменениям третичной структуры ферментапри взаимодействии его с субстратом. Теория «индуцированногосоответствия» Кошленда в противоположность жесткой модели

67

«ключа и замка» Фишера допускает высокую конформационнуюлабильность молекулы фермента и гибкость его активного центра.При образовании фермент-субстратного комплекса субстрат инду-цирует изменение конформации молекулы фермента так, чтобы ак-тивный центр принял определенную пространственную ориента-цию, необходимую для взаимодействия с субстратом. Тольков момент присоединения субстрата фермент будет находиться в ак-тивной T-форме, все остальное время он пребывает в неактивнойR-форме. Существенное значение имеют точное соответствие меж-ду ферментом и субстратом, а также каталитические и термодинами-ческие преимущества подобного соответствия. Предполагается наличие не только пространственной или геометрической компле-ментарности между ферментом и субстратом, но и электростатическо-го соответствия, обусловленного спариванием полярных групп субст-рата и активного центра фермента. Чем выше соответствие, тем болееэффективен фермент в отношении данного субстрата.

С термодинамической точки зрения ферменты ускоряют хими-ческие реакции за счет снижения энергии активации. Энергия акти-вации — энергия, необходимая для перевода всех молекул моля ве-щества в активированное состояние при данной температуре, илиэнергия, необходимая для запуска химической реакции. Ферментснижает энергию активации путем увеличения активированныхмолекул, которые на более низком энергетическом уровне уже ста-новятся способными вступать в реакцию.

68

Величина стандартного изменения свободной энергии одинаковакак для ферментативной, так и для неферментативной реакции, ферменты не изменяют равновесия между прямой и обратной реак-циями и не влияют на величину свободной энергии реакции. Онилишь ускоряют наступление химического равновесия.

2. Кинетика ферментативных реакций

Живые организмы способны кинетически регулировать хими-ческие реакции, подавляя стремление к достижению термодина-мического равновесия. Ферментативная кинетика изучает законо-мерности влияния химической природы реагентов (ферментови субстратов) и условий реакции (таких как pH среды, температу-ра, концентрация действующих веществ, присутствие активато-ров или ингибиторов) на скорость ферментативной реакции.

Любая химическая реакция характеризуется константойтермодинамического равновесия Kр. В реакции:

Константа равновесия:

где [A], [B], [C], и [D] — концентрации действующих веществ;k+1 — константа скорости прямой реакции; k–1 — константа скорости обратной реакции.

Величина, обратная константе равновесия, — константадиссоциации фермент-субстратного комплекса Кs.

Константа диссоциации фермент-субстратного комплексазависит от химической природы фермента и субстрата и опре-деляет степень их сродства — чем ниже Кs, тем выше сродствофермента к субстрату. При низкой концентрации субстрата ско-рость реакции прямо пропорциональна концентрации субстратаи подчиняется кинетике первого порядка. При высокой концент-рации субстрата скорость реакции, достигнув своего максимума,

69

,

становится постоянной, не зависящей от концентрации субстра-та и подчиняется кинетике нулевого порядка. Скорость реакциив этом случае целиком определяется концентрацией фермента.Общая теория ферментативной кинетики, разработанная Л. Михаэ-лисом и М. Ментеном, предполагает, что если ферментативныйпроцесс протекает в виде реакции:

где E — фермент;S — субстрат;P — продукт реакции,

то количественное соотношение между концентрацией субстрата и скоростью ферментативной реакции выражается уравнением:

где ν — наблюдаемая скорость реакции при данной концентра-ции субстрата [S]; Ks — константа диссоциации фермент-субстратного ком-плекса; Vmax — максимальная скорость реакции при полном на-сыщении фермента субстратом.

При высокой концентрации субстрата и низком значении Ksскорость реакции максимальна, при низкой концентрации суб-страта скорость реакции прямо пропорциональна концентрациисубстрата. Уравнение Бриггса—Холдейна учитывает влияниепродуктов реакции на скорость ферментативного процесса:

где Km — константа Михаэлиса, определяемая опытным путем:

Константа Михаэлиса численно равна концентрации субстратав моль/л, при которой скорость данной ферментативной реакциисоставляет половину от максимальной. Она всегда больше кон-станты диссоциации фермент-субстратного комплекса на k+2 / k+1.

70

,

ЛЕКЦИЯ № 14. Основные свойства ферментов и факторы, определяющие их активность

1. Основные свойства ферментов, влияние концентраций субстрата и фермента на скорость ферментативной реакции

Ферменты (как и неорганические катализаторы) имеют рядособенностей:

1) остаются неизменными после реакции: освобождаясь,способны вновь реагировать с субстратами;2) способны оказывать эффективное действие в ничтожномалых концентрациях;3) не сдвигают точку термодинамического равновесия,а лишь увеличивают скорость достижения этого равновесия.Экзергонические химические реакции — реакции с высокой

константой равновесия и отрицательной ∆G.Эндергонические химические реакции — реакции с низкой

константой равновесия и положительной ∆G. Такие реакцииобычно не протекают спонтанно, для их начала и завершениянеобходим приток энергии извне.

Скорость реакций, катализируемых ферментами, зависит оттемпературы. При повышении температуры на 10 °C скоростьбольшинства биохимических реакций повышается в 2 раза.При повышении температуры до 50 °C эффективная концентрацияфермента и скорость реакции будут снижаться вследствие тепло-вой денатурации белкового компонента фермента. При темпера-туре 100 °C почти все ферменты утрачивают свою активность.При низких температурах ферменты не разрушаются, но актив-ность их снижается почти до нуля. Оптимальной температуройдля действия большинства ферментов теплокровных являетсятемпература 40 °C.

Ферменты наиболее активны в пределах pH 6,0—8,0. Значе-ние pH, при котором фермент проявляет максимальную актив-

71

ность, называется оптимумом pH среды для действия данногофермента. Значение pH воздействует на состояние и степень ионизации кислотных и основных групп, при сдвигах pH от опти-мума возникают конформационные изменения молекулы фермента, приводящие к потере его активности вследствие де-натурации или изменения заряда. Ферменты обладают высокойспецифичностью действия. Различают ферменты с относитель-ной (групповой) и абсолютной специфичностью. Ферменты с отно-сительной специфичностью воздействуют на определенную хими-ческую связь, содержащуюся в группе веществ, — ферментыпищеварительного тракта (пепсин, трипсин, химотрипсин, липаза,пептидаза), некоторые внутриклеточные ферменты (гексокиназа)и др. Ферменты с абсолютной специфичностью способны катали-зировать превращение единственного субстрата — аргиназа, уреа-за и др. Стереохимическая специфичность — специфичность дей-ствия фермента в отношении цис- и транс-изомеров (например,бактериальная аспартатдегидрогеназа катализирует отщеплениекарбоксильной группы только от L-аспарагиновой кислоты с пре-вращением ее в L-аланин).

Влияние концентраций фермента и субстрата на ско-рость ферментативной реакции

Скорость ферментативной реакции прямо пропорциональ-на концентрации фермента. При постоянной концентрациифермента повышение концентрации субстрата ведет к увеличе-нию скорости реакции до тех пор, пока не будет достигнутополное насыщение фермента (состояние, в котором все молеку-лы фермента связаны с субстратом), после чего дальнейшееувеличение концентрации субстрата не будет оказывать влия-ния на скорость ферментативной реакции. В таких условияхпроизводят определение максимальной скорости реакции и зна-чение константы Михаэлиса.

2. Активирование и ингибирование ферментов

Скорость ферментативной реакции зависит от присутствияв среде активаторов и ингибиторов.

Активаторы — вещества органической и неорганическойприроды, повышающие скорость реакции. Соляная кислота по-вышает активности пепсина желудочного сока, желчные кисло-

72

ты активируют липазу панкреатического сока и т. д. Наиболеечасто активаторами являются ионы металлов. Они могут игратьроль простетических групп ферментов, выступать в качестве ак-цепторов или донаторов протонов, электро- или нуклеофилов,сохраняя ориентацию реактивных групп. Ионы металлов способ-ствуют присоединению субстрата к активному центру и образо-ванию фермент-субстратного комплекса. Металл при соедине-нии с субстратом может образовывать истинный субстрат,с которым реагирует фермент. Ионы металлов могут участвоватьв формировании и стабилизации активного центра фермента,а также выступать в роли аллостерических модуляторов.

Ингибиторы — вещества, вызывающие частичное или пол-ное торможение ферментативных реакций. Они подразделяют-ся на обратимые и необратимые. Антиферменты — белки, дей-ствующие как ингибиторы ферментов. Неспецифическоеингибирование ферментов происходит под действием любыхденатурирующих агентов. Специфическое ингибирование проис-ходит в отношении одного фермента или группы ферментов.

Различают обратимое и необратимое ингибирование. Необра-тимое ингибирование происходит, когда ингибитор вызываетстойкие изменения третичной структуры фермента или модифи-кацию его функциональных групп. Обратимое ингибирование невызывает структурных изменений фермента, оно подразделяетсяна конкурентное и неконкурентное. Конкурентное ингибирова-ние вызывается веществами, структура которых сходна соструктурой субстрата, но несколько отличается от нее. Такоеингибирование основано на связывании ингибитора с активнымцентром. Субстрат и ингибитор конкурируют за связываниес активным центром, степень торможения реакции определяет-ся соотношением концентраций фермента и ингибитора.

Неконкурентное ингибирование вызывается веществами,структура которых отлична от структуры субстрата, ингибито-ры связываются как в активном центре, так и в другом местемолекулы фермента путем образования ковалентной связи. Сте-пень ингибирования часто определяется продолжительностьюдействия ингибитора на фермент. Неконкурентное ингибирова-ние может быть обратимым и необратимым. Необратимое инги-бирование возникает при образовании стабильной ковалентнойсвязи, фермент подвергается полной инактивации. Примером

73

74

является действие йодацетата, ДФФ и солей синильной кисло-ты, заключающееся в связывании и выключении функциональ-ных групп в молекуле фермента.

При обратимом неконкурентном ингибировании ингибитор Iи субстрат S связываются с разными центрами, и появляется воз-можность образования тройного комплекса EIS, который, как и комплекс ES, способен распадаться с образованием продуктов реак-ции, но с меньшей скоростью. Такой тип ингибирования встречает-ся у ферментов, катализирующих превращение нескольких субстра-тов. Существует также бесконкурентное ингибирование, когда ин-гибитор связывается с некаталитическим центром фермента ужепосле образования фермент-субстратного комплекса.

3. Регуляция активности ферментов, определение активности ферментов

Регуляция активности ферментовОсновными механизмами регуляции синтеза и каталитиче-

ской активности ферментов являются следующие.1. В катализируемой ферментом обратимой химической реак-

ции концентрация компонентов реакции и ее направление ре-гулируются законом действия масс.

2. Существуют ферменты, концентрация которых в клеткеопределяется наличием или отсутствием субстрата, который спо-собствует индуцированному синтезу этих ферментов. Продуктыреакции вызывают торможение синтеза фермента в результате реп-рессии. Ферменты, концентрация которых не зависит от наличияиндуктора в клетке, — это конститутивные ферменты.

3. Ряд ферментов пищеварительного тракта синтезируетсяв виде проферментов (зимогенов), регуляция их активностисводится к превращению в активные формы ферментов поддействием специфических агентов или протеиназ. При перехо-де ферментов из неактивных в активные формы формируютсяили демаскируются активные центры ферментов.

4. Активность некоторых ферментов определяется постсинте-тической химической модификацией при формировании третич-ной структуры. Активность ряда ключевых ферментов обменауглеводов контролируется путем фосфорилирования и дефос-форилирования, осуществляемых ферментами протеинкиназой

и протеинфосфокиназой. Постсинтетическая модификация вклю-чает в себя также процессы ограниченного протеолиза, метилиро-вания, гликозилирования, уридилирования, аденилирования,АДФ-рибозилирования и др.

5. В многоступенчатых ферментативных системах регуляцияосуществляется за счет ингибирования по принципу обратной свя-зи (ретроингибирования): конечный продукт биосинтетической це-пи подавляет активность фермента, катализирующего первую ста-дию синтеза, являющуюся ключевой для данной цепи реакции.Конечный продукт связывается с аллостерическим центром моле-кулы субстрата и ингибирует всю цепь химической реакции.

Для амфиболических процессов характерным типом регуляцииявляется активация предшественником, когда первый метаболитв многоступенчатом пути активирует фермент, катализирующийпоследнюю стадию. Гомотропные ферменты — ферменты, для ко-торых субстрат и модулятор имеют одинаковую структуру. Гетеро-тропные ферменты — ферменты, в которых субстрат и модуляторимеют разную структуру.

6. К другим регуляторным механизмам относятся регулиро-вание абсолютного количества присутствующего в клеткефермента временем его синтеза и распада, конкуренция ферментов за общий субстрат, выключение активности одного изферментов, влияние концентраций кофакторов, явление ком-партментализации (пространственное разъединение ферментас субстратом посредством биомембран).

Определение активности ферментовСтандартная международная единица активности фермента

(E или U) — то количество его, которое в оптимальных усло-виях катализирует превращение 1 микромоля субстрата или об-разование 1 микромоля продукта в минуту (мкмоль/мин).

1 катал (кат) — каталитическая активность, способная осу-ществлять химическую реакцию со скоростью 1 моль/с. 1 кат == 6 × 107 U, 1 U = 16,67 нкат. Удельная активность фермента —число единиц ферментативной активности на 1 мг белка (или число каталов на 1 кг белка). Число оборотов фермента (молярнаяактивность) — количество молекул субстрата, подвергающееся пре-вращению в продукт одной молекулой фермента в единицу време-ни при полном насыщении фермента субстратом (выражается в ка-талах на 1 г-моль фермента).

75

76

ЛЕКЦИЯ № 15. Классификация и номенклатура ферментов

1. Классификация и номенклатура ферментов,список ферментов

Классификация ферментовВ основу принятой классификации ферментов положен

принцип типа катализируемой реакции. Согласно Международ-ной классификации ферменты делят на шесть главных классов.

1. Оксидоредуктазы — ферменты, катализирующие окисли-тельно-восстановительные реакции. Систематические названиясоставляются по схеме: «донор: акцептор оксидоредуктаза» (на-пример, лактат: НАД+ оксидоредуктаза). Среди оксидоредуктазразличают аэробные дегидрогеназы, или оксидазы (катализиру-ют перенос протонов или электронов на кислород), анаэробныедегидрогеназы (катализируют перенос протонов или электроновна промежуточный субстрат), цитохромы (катализируют переностолько электронов). К оксидоредуктазам относятся гемсодержа-щие ферменты каталаза и пероксидаза.

2. Трансферазы — ферменты, катализирующие реакции меж-молекулярного переноса атомов, групп атомов и радикалов. Система-тические названия составляются по схеме: «донор: транспортируе-мая группа — трансфераза». Среди трансфераз выделяюткатализирующие перенос одноуглеродных остатков, ацильных,гликозильных, альдегидных или кетонных, нуклеотидных остат-ков, азотистых групп, остатков кислот и иные трансферазы.

3. Гидролазы — ферменты, катализирующие расщеплениевнутримолекулярных связей при участии молекул воды. Систе-матические названия составляются по схеме: «субстрат — гидро-лаза». К гидролазам относятся эстеразы (катализируют реак-ции гидролиза и синтеза сложных эфиров), гликозидазы(катализируют разрыв гликозидных связей), фосфатазы, пеп-тидгидразы и амидазы (катализируют разрыв фосфоангидрид-ных, пептидных и амидных связей).

4. Лиазы — ферменты, катализирующие разрыв связей C—O,C—C, C—N и других и обратимые реакции негидролитическо-го отщепления различных групп от субстратов. Реакции сопро-вождаются образованием двойной связи или присоединениемк месту разрыва двойной связи. Систематические названия со-ставляются по схеме: «субстрат — лиаза».

5. Изомеразы — ферменты, катализирующие геометрическуюи оптическую изомеризацию. Систематические названия состав-ляются по схеме: «субстрат-цис-транс-изомераза». При внутри-молекулярном переносе группы фермент называется «мутаза».К этому же классу относятся рацемазы и эпимеразы (действуютна амино- и оксикислоты, углеводы и их производные), внутри-молекулярные оксидоредуктазы и трансферазы и др.

6. Лигазы (синтетазы) — ферменты, катализирующие синтезорганических веществ из двух исходных молекул с использова-нием энергии макроэрга (АТФ или др.). Систематические назва-ния составляются по схеме: «X : Y лигаза», где X и Y — исход-ные вещества.

Список ферментов содержит для каждого фермента кодо-вый номер (шифр), систематическое (рациональное) название,рекомендуемое (рабочее) название, химическую реакцию, ката-лизируемую им, и примечания о специфичности действия. Кодкаждого фермента состоит из четырех цифр, разделенных точ-ками: номер главного класса фермента, номер подкласса, номерподгруппы в подклассе и порядковый номер фермента.

ЛЕКЦИЯ № 16. Углеводы

1. Биологическая роль углеводов, их классификация, моносахариды

Биологическая роль углеводовУглеводы выполняют важные функции: энергетическую

(представляют собой главный вид клеточного топлива), струк-турную (являются обязательным компонентом большинствавнутриклеточных структур) и защитную (углеводные компонен-ты иммуноглобулинов).

Углеводы рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеино-вых кислот.

В растениях углеводы составляют до 80% сухой массы, в жи-вотных организмах на их долю приходится не более 2% сухоймассы.

Классификация углеводов Углеводы подразделяются на три основные группы: моноса-

хариды, олигосахариды и полисахариды.Моносахариды — производные многоатомных спиртов, имею-

щие карбонильную (альдегидную или кетонную) группу в своем со-ставе.

При положении карбонильной группы в конце цепи углеводназывается альдозой, при любом другом положении — кетозой.

Все моносахариды (кроме диоксиацетона) содержат асиммет-ричные атомы углерода и могут существовать в виде стереоизоме-

78

диоксиацетон(кетоза)

глицерин глицеральдегид(альдоза)

ров. Общее число стереоизомеров для любого моносахарида выра-жается формулой N = 2n, где n — число асимметричных атомов.

Изомер глицеральдегида, у которого при проекции на плос-кость гидроксильная группа у асимметричного атома водородарасположена справа, считается D-глицеральдегидом, а его зер-кальное отражение — L-глицеральдегидом:

Все изомеры моносахаридов по аналогии с глицеральдегидомподразделяются на D- и L-формы. Природные гексозы (глюкоза,фруктоза, манноза и сахароза) принадлежат к соединениям D-ряда.

Природные моносахариды обладают оптической активностью —свойством вращать плоскость поляризованного луча света. Любоймоносахарид с конкретными физическими свойствами характеризу-ется специфической величиной удельного вращения [α]. При дли-тельном стоянии растворов сахаров величина удельного вращенияменяется. Углеводы могут существовать в открытой (альдегиднойи кетонной) и закрытой (циклической, полуацетальной) форме.Шестичленные циклы сахаров называют пиранозами, а пятичлен-ные — фуранозами. При образовании полуацеталей возникает новыйасимметричный центр. У α-изомеров полуацетальный гидроксил рас-положен с той же стороны, что и гидроксил, определяющий принад-лежность к D- или L-ряду, у β-изомеров — с другой стороны. В вод-ных растворах глюкоза находится главным образом в виде α- и β-глюкопираноз, в меньшей степени — в виде α- и β-глюкофура-ноз, и в очень малом количестве — в альдегидной форме.

2. Основные реакции моносахаридов

Реакции с участием карбонильной группы характерны для от-крытых форм углеводов. Окисление моносахаридов в мягких усло-виях приводит к образованию альдоновых кислот, в жестких усло-виях — аровых кислот. В организме моносахариды под действиемферментов окисляются до альдуроновых, или уроновых, кислот.

79

Восстановление моносахаридов идет путем их гидрированияпо связи С = О, при этом они превращаются в многоатомныеспирты.

Реакции с участием полуацетального гидроксила харак-терны для циклических форм моносахаридов. При действии намоносахарид спирта, фенола или карбоновой кислоты водородполуацетального гидроксила замещается на радикал с образова-нием O-гликозида.

Выделяют также N-гликозиды, у которых гликозидная частьмолекулы связана через атом азота с радикалом органическогосоединения, не являющегося азотом.

Существуют также S-гликозиды, представляющие собойпроизводные циклических форм тиосахаров, у которых атом водо-рода в меркаптогруппе (SH-) замещен радикалом. Гликозиды являются составными частями многих лекарственных растений(например, сердечные гликозиды, выделенные из наперстянки,ландыша и др.), к гликозидам относятся антибиотики — амино-гликозиды. Все ди- и полисахариды являются О-гликозидами.

Реакции по спиртовым гидроксилам могут протекать какв открытой, так и в циклической форме, при взаимодействиис металлами и их гидроксидами образуются сахараты, с мине-ральными и органическими кислотами — сложные эфиры, с ам-миаком — аминосахара.

В виде фосфорных эфиров соединения глюкозы и фруктозыучаствуют в обмене веществ, рибоза и дезоксирибоза входятв состав нуклеиновых кислот.

Аминосахара входят в состав животных, растительныхи бактериальных мукополисахаридов, являются углеводнымикомпонентами гликопротеинов и гликолипидов.

Дезоксисахара — моносахариды, у которых одна из гидрок-сильных групп заменена атомом водорода. Примером дезокси-сахарида является дезоксирибоза, входящая в состав нуклеино-вых кислот.

ЛЕКЦИЯ № 17. Олиго- и полисахариды

1. Олигосахариды

Олигосахариды — углеводы, содержащие в своей молекуле отдвух до десяти остатков моносахаридов, соединенных гликозидны-ми связями. В зависимости от количества моносахаридных остат-ков в полисахариде различают дисахариды, трисахариды, тетра-сахариды и т. д. Дисахариды — сложные сахара, молекулы которыхпри гидролизе распадаются на две молекулы моносахаридов. Наря-ду с полисахаридами дисахариды являются одними из основныхисточников углеводов в пище человека и животных. По своему строе-нию дисахариды являются гликозидами, в которых две молекулы моносахаридов соединены гликозидной связью. Обязательным ком-понентом дисахаридов является α-D-глюкоза. Наиболее известныедисахариды — мальтоза, лактоза, сахароза и целлобиоза. Мальтозасостоит из двух остатков α-D-глюкозы, образуется при действии ами-лаз на крахмал или гликоген в качестве промежуточного продукта.

Лактоза (β-галактопиранозил-(1 → 4)-β-глюкопираноза) со-держится только в молоке, состоит из D-галактозы и D-глю-козы.

81

Сахароза (β-глюкопиранозил-(1 → 2)-β-фруктофуранозид)является одним из самых распространенных дисахаридови представляет собой пищевой сахар.

Молекула сахарозы состоит из D-глюкозы и D-фруктозы.

Химические свойства олигосахаридовМальтоза, лактоза и целлобиоза относятся к восстанавли-

вающим сахарам, поскольку у них имеется свободный полуаце-тальный гидроксил. Наряду с моносахаридами они способнывступать в качественные реакции — реакции Толленса и Тром-мера. Сахароза не обладает восстанавливающими свойствами,поскольку при ее образовании оба моносахарида участвуютсвоими полуацетальными гидроксилами, оксоформа (открытая)не образуется. При гидролизе сахарозы образуется фруктоза,дающая качественную реакцию — реакцию Селиванова.

При гидролизе сахарозы происходит изменение угла вращенияполяризованного света. Сахароза — правовращающий дисахарид(+66,5°), при гидролизе образуются фруктоза (–92°) и глюкоза(+52,5°). Разница между углом вращения поляризованного света са-харозы и ее гидролизата составляет –0°. Это явление называется ин-версией сахара, а смесь глюкозы и фруктозы — инвертным сахаром.Природные инвертные сахара содержатся в меде. Сладость сахаро-зы принята за 1, тогда фруктоза имеет сладость 1,73, глюкоза —0,74, сорбит — 0,6, манит — 0,4. Наиболее известный природныйтрисахарид — рафиноза, состоящая из остатков фруктозы, глюкозыи галактозы. Рафиноза в большом количестве содержится в сахар-ной свекле. Олигосахариды растительных тканей более разнообраз-ны по своему составу, чем олигосахариды животных тканей.

2. Полисахариды

Полисахариды — высокомолекулярные углеводы, состоя-щие из большого числа моносахаридных остатков, соединенныхгликозидными связями и образующими линейные или разветв-

82

ленные молекулы. Моносахариды, входящие в их состав, нахо-дятся в пиранозной или фуранозной форме и соединяться другс другом через любые гидроксильные группы. Различают линей-ные и разветвленные полисахариды, гомополисахариды (состоятиз моносахаридов одного типа) и гетерополисахариды (состоятиз моносахаридов двух и более типов).

Гомополисахариды разделяют на структурные и резервные.Крахмал является резервным материалом растений. Представляетсобой смесь двух гомополисахаридов — линейного (амилозы)и разветвленного (амилопектина). Содержание амилозы в крахма-ле — 10—30 %, амилопектина — 70—90 %. Мономерами являет-ся остатки D-глюкозы, соединенные в линейных цепях α-(1 → 4)-связями, а в точках ветвления — α – (1 → 6)-связями.

Молекула амилозы содержит в среднем около 1000 остатковглюкозы. Отдельные участки молекулы амилопектина состоятиз 20—30 звеньев. Амилоза и амилопектин не дают истинногораствора, а образуют гидратированные мицеллы разной формы.При добавлении йода амилоза окрашивается в синий цвет, амило-пектин — в красно-фиолетовый.

Молекулярная масса молекулы крахмала — 105—107, приего частичном гидролизе образуются полисахариды с меньшеймолекулярной массой — декстрины, а при полном гидролизе —глюкоза. Содержание крахмала в муке составляет 75—80%, в кар-тофеле — 25%.

Гликоген является главным резервным полисахаридом выс-ших животных и человека, мономерами его являются остаткиD-глюкозы. По строению гликоген сходен с амилопектином, ноимеет более разветвленную структуру. Молекула его состоит из

83

красное окрашивание

84

ветвящихся полигликозидных цепей, соединенных α-(1 → 4)-свя-зями, а в точках ветвления — α-(1 → 6)-связями. Молекулярнаямасса гликогена — 105—108. При гидролизе расщепляется с об-разованием декстранов, затем мальтозы и, наконец, глюкозы.

Целлюлоза (клетчатка) — самый распространенный струк-турный полисахарид животного мира. Мономерами его явля-ются остатки глюкозы в β-пиранозной форме, соединенные β-(1 → 4)-гликозидными связями.

Молекулярная масса целлюлозы составляет (1—2) × 106. При еечастичном гидролизе образуется дисахарид целлобиоза, а при пол-ном гидролизе — β-глюкоза. Клетчатка не переваривается фермента-ми пищеварительного тракта человека, однако присутствие опти-мальных ее количеств (2—3%) в пище способствует формированиюкала. Целлюлоза является основным источником глюкозы у траво-ядных животных, в кишечнике которых присутствуют микроорганиз-мы, расщепляющие β-гликозидные связи. Целлюлоза и ее производ-ные используются для производства хлопчатобумажных тканейи бумаги, искусственных волокон, пластмассы и др.

Хитин — основной структурный компонент беспозвоноч-ных животных (в основном членистоногих), полностью заме-щает целлюлозу в клеточных стенках сапрофитных растений.Мономерами его являются остатки N-ацетил-D-глюкозамина,соединенные β-(1→ 4) гликозидными связями:

участок молекулы целлюлозы

участок молекулы хитина

ЛЕКЦИЯ № 18. Переваривание и всасывание углеводов, обмен гликогена, гликолиз, глюконеогенез

1. Обмен углеводов

Обмен углеводов в организме человека включает следую-щие процессы:

1) расщепление в желудочно-кишечном тракте поступаю-щих с пищей полисахаридов и дисахаридов до моносахари-дов, всасывание моносахаридов из кишечника в кровь;2) синтез и распад гликогена в тканях;3) анаэробное и аэробное расщепление глюкозы (анаэроб-ный путь гликолиза без потребления кислорода и аэробныйпуть прямого окисления глюкозы или пентозофосфатныйпуть (пентозный цикл));4) взаимопревращение гексоз;5) аэробный метаболизм пирувата (завершающая стадияуглеводного обмена — окисление продукта гликолиза — пиру-вата);6) глюконеогенез (образование углеводов из неуглеводныхпродуктов (пировиноградной и молочной кислот, глицери-на, аминокислот)).Переваривание и всасывание углеводовРасщепление глюкозы и гликогена начинается в ротовой по-

лости под действием амилазы слюны. Амилаза слюны являетсяα-амилазой, под ее влиянием происходят первые фазы расщепле-ния крахмала или гликогена с образованием декстринов и не-большого количества мальтозы. Затем пища, смешанная со слю-ной, проглатывается и перемещается в желудок, где действиеамилазы прекращается из-за кислого содержимого желудка (рН 1,5—2,5). Но в глубоких слоях пищевого комка, где среда не та-кая кислая, действие амилазы некоторое время продолжается,что обеспечивает расщепление полисахаридов с образованием

85

декстринов и мальтозы. Наиболее важная фаза распада крахмалаи гликогена происходит в двенадцатиперстной кишке под дей-ствием α-амилазы поджелудочного сока, где рН примерно нейт-ральная, что обеспечивает максимальную активность α-амилазы.Фермент завершает превращение крахмала и гликогена в мальто-зу, начатое амилазой слюны. α-амилаза расщепляет α-1,4-связи.Имеющиеся в молекулах аминопектина α(1—6)-гликозидные свя-зи гидролизуются в кишечнике другими ферментами: амило-1,6-гликозидазой и олиго-1,6-гликозидазой.

Образующаяся мальтоза быстро гидролизуется под влияни-ем фермента мальтазы на две молекулы глюкозы. Кишечныйсок также содержит активную сахарозу, под влиянием которойиз сахарозы образуются глюкоза и фруктоза.

Лактоза, которая содержится только в молоке, под действиемлактазы кишечного сока расщепляется на глюкозу и галактозу.

В конечном итоге углеводы пищи распадаются на составляю-щие их моносахариды (преимущественно глюкозу, фруктозу, га-лактоза), которые всасываются кишечной стенкой и попадаютв кровь. Скорость всасывания отдельных моносахаридов различ-на. Глюкоза и галактоза всасываются быстрее, чем другие моно-сахариды. Всасывание большинства моносахаридов происходит засчет активного транспорта. Для всасывания простых углеводовнеобходимо присутствие ионов Na, комплексное соединение кото-рых транспортируется внутрь клетки, где он распадается. Ион Naактивирует АТФ-азу, благодаря чему ускоряется распад АТФ, вса-сывание обеспечивается энергией АТФ.

Свыше 90% всосавшихся моносахаридов через капиллярыкишечных ворсинок попадает в кровеносную систему и с токомкрови через воротную вену в печень; остальное количествомоносахаридов поступает по лимфатическим путям в венознуюсистему. В печени всосавшаяся глюкоза превращается в глико-ген, использующийся для поддержания физиологической кон-центрации глюкозы в крови. Метаболизм глюкозы начинаетсяс ее фосфорилирования при участии АТФ и фермента гексо-киназы, далее глюкозо-6-фосфат под влиянием фермента фосфо-глюкомутазы переходит в глюкозо-1-фосфат.

Глюкозо-6-фосфат не способен переходить через мембраны,т. е. фосфорилирование глюкозы обеспечивает ее сохранениев клетке.

86

Глюкозо-6-фосфат претерпевает следующие превращения:1) под действием фосфатазы расщепляется до глюкозыи фосфата;2) под действием фосфоглюкомутазы Г-6-Ф превращаетсяв Г-1-Ф — промежуточный продукт синтеза гликогена;3) под действием Г-6-Ф дегидрогеназы окисляется в глюко-нолактон и далее претерпевает превращения по пентозофос-фатному пути;4) изомеризуется в фруктозу-6-фосфат и далее вовлекаетсяв превращения, ведущие к окислению до СО2 и Н2О — ос-новной путь катаболизма глюкозы.

2. Распад и синтез гликогена. Гликолиз

Гликоген — депонированная форма глюкозы, высвобождаетэту гексозу при участии гликогенфосфорилазы. Фермент катали-зирует фосфоролиз (расщепление с присоединением компонен-тов фосфорной кислоты) 1,4-гликозидной связи с высвобождениемостатков глюкозы в виде Г-6-Ф.

Его возможные пути превращения:1) в мышцах, где нет Г-6-Ф фосфатазы, по основному пути(аэробному или анаэробному);2) в жировой ткани и других, где идет интенсивный восста-новительный синтез, по пентозофосфатному пути (для накоп-ления НАДФ*Н2);3) в печени, где много Г-6-Ф, расщепляется на глюкозу и фос-фат, глюкоза поступает в кровь. Синтезируется гликоген засчет Г-1-Ф, который, взаимодействуя с УТФ (уридин-три-фос-фатом), образует уридиндифосфат-глюкозу, а последняя игра-ет роль донатора остатков глюкозы, акцептором которых явля-ются олигосахариды: УДГ-глюкоза + (Глюкоза) n —— УДФ ++ (глюкоза) n + 1. Катализирует эту реакцию гликогенсинтетаза — фермент

обеспечивает образование линейных участков гликогена. Обра-зование ветвлений обеспечивает фермент амило-1,4-1,6-глико-зилтранс-фераза.

Гликолиз — анаэробный распад глюкозы, существует наря-ду с основным путем ее превращения, является альтернатив-ным, способен обеспечить клетки энергией в отсутствие кисло-

87

рода. Этот путь совпадает с отрезком основного пути до стадиипирувата, этот его участок обеспечивают цитозольные фермен-ты, катализирующие превращение глюкозы в пируват. Далеевместо окислительного декарбоксилирования пируват можетподвергнуться реакции восстановления, приняв на себя пару ато-мов водорода от дегидрогеназы НАД*Н2, образовавшейся приокислении 3-фосфоглицеринового альдегида.

Продукт восстановления — молочная кислота. Реакцию пре-вращения пирувата в молочную кислоту (лактат) катализируетлактатдегидрогеназа — фермент, широко распространенныйв клетках. При ограниченном обеспечении кислородом лактат-дегидрогеназа катализирует преимущественно реакцию восста-новления, при достаточном — равновесие реакции сдвигаетсявлево и происходит окисление молочной кислоты в пируват. Пиру-ват в этих условиях вовлекается в окислительное карбоксилиро-вание.

В процессе гликолиза образуется АТФ. Суммарное уравне-ние гликолиза можно изобразить следующим образом:

С6Н12О6 + 2АДФ + 2Фн → 2СН3СН(ОН)СООН +

+ 2АТФ + 2Н2О.

Биологическое значение процесса гликолиза прежде всего за-ключается в образовании богатых энергией фосфорных соедине-ний. На первых стадиях гликолиза затрачиваются две молекулыАТФ (гексокиназная и фосфофруктокиназная реакции). На после-дующих образуются четыре молекулы АТФ (фосфоглицераткиназ-ная и пируваткиназная реакции).

Таким образом, энергетическая эффективность гликолиза в ана-эробных условиях составляет две молекулы АТФ на одну молекулуглюкозы. Известно, что изменение свободной энергии при расщеп-лении глюкозы до двух молекул молочной кислоты составляет око-ло 210 кДж/моль. Из этого количества энергии около 126 кДж рас-сеивается в виде тепла, а 84 кДж накапливается в форме богатыхэнергией фосфатных связей АТФ.

Анаэробный гликолиз — источник АТФ в интенсивно ра-ботающих мышцах, когда окислительное фосфорилирование несправляется с обеспечением клетки АТФ. В эритроцитах, не

88

имеющих митохондрий, а следовательно, и ферментов цик-ла Кребса, потребность в АТФ удовлетворяется только за счетанаэробного распада.

3. Спиртовое брожение

Осуществляется дрожжеподобными организмами, некоторымиплесневыми грибами. Суммарное изображение реакции:

С6Н12О6 → 2С2Н5ОН + СО2.

Реакция спиртового брожения близка к гликолизу, некоторое рас-хождение после этапа образования пирувата: при гликолизе пируватвосстанавливается в лактат с участием фермента ЛДГ и коферментаНАДН2. При спиртовом брожении этот конечный этап заменен дру-гими ферментативными реакциями: пируватдекарбоксилазной и алкогольдегидрогеназной. При спиртовом брожении происходитдекарбоксилирование пирувата с образованием ацетальдегида приучастии фермента пируватдекарбоксилазы ионов Mg, коферментатиаминпирофосфата. Образовавшийся ацетальдегид присоединяет к себе водород, отщепляемый от НАДН2, восстанавливаясь при этомв этанол с участием фермента алкогольдегидрогеназы.

Обмен фруктозы и галактозыФруктоза присутствует в свободном виде во многих тканях, обра-

зуется в тонком кишечнике из сахарозы, в печени превращается пофруктозо-1-фосфатному пути. В жировой ткани фруктоза может ме-таболизировать в фруктозо-6-фосфат — промежуточный продукт ос-новного пути окисления глюкозы. Основным источником галактозыявляется лактоза пищи, которая в пищеварительном тракте расщеп-ляется до галактозы и глюкозы. Галактоза вступает на путь гликолиза.

Затем следует обменная реакция, катализируемая галактозо-

1-фосфат-уридилтрансферазой:

89

90

Далее галактоза в составе УДФ под действием эпимеразыменяет конфигурацию ОН-группы при С-4, инвертируетсяв глюкозо-1-фосфат, освобождаясь одновременно от УДФ:

Галактозо-1-УДФ → глюкозо-1-фосфат + УДФ.

Глюконеогенез — синтез глюкозы из неуглеводных предшест-венников: основные — пируват и лактат, промежуточные — мета-болиты цикла трикарбоновых кислот, глюкогенные аминокислотыи глицерин. Ключевая точка синтеза глюкозы — превращение пиру-вата в фосфорнолпируват (ФЕП).

Пируват карбоксилируется пируваткарбоксилазой за счетэнергии АТФ, реакция осуществляется в митохондриях.

Далее происходит фосфорилирующее декарбоксилирование,катализируемое фосфорнолпируваткарбоксилазой.

Дальнейший путь образования Г-6-Ф представляет обратныйпуть гликолиза, катализируемый теми же ферментами, но в обрат-ном направлении, за исключением, превращения фруктозо-1,6-ди-фосфата в фруктозо-6-фосфат, катализируемого фруктозодифосфа-тазой. Аминокислоты (аспарагин, аспарагиновая кислота, тирозин,фенилаланин, треонин, валин, метионин, изолейцин, глутамин,пролин, гистидин, аргинин) тем или иным путем превращаются в метаболит цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) — фумаровуюкислоту, последняя — в оксалоацетат. Другие аминокислоты (ала-нин, серин, цистин, глицин) превращаются в пируват.

Глицерин вливается в процессы глюконеогенеза на стадии 3-ФГА, лактат окисляется в пируват. Регуляция глюконеогенеза осу-ществляется реакцией, катализируемой пируваткарбоксилазой. Рольположительного аллостерического модулятора этого фермента вы-полняет ацетил-КоА. Когда в клетке накапливается митохондраль-ный ацил-КоА, биосинтез глюкозы из пирувата усиливается.

Вторым важным моментом в регуляции глюконеогенеза являет-ся реакция, катализируемая фруктозо-1,6-бифосфатазой, фермен-том, который ингибируется АМФ.

При низкой концентрации АМФ и высоком уровне АТФ проис-ходит стимуляция глюконеогенеза.

пируват

ЛЕКЦИЯ № 19. Аэробный метаболизмпировиноградной кислоты, цикл Кребса

1. Аэробный метаболизм пировиноградной кислоты

Аэробный распад глюкозы — это основной путь катаболиз-ма глюкозы.

Он включает в себя три последовательных этапа:1) специфический, свойственный только глюкозе, этап пре-вращений, завершающийся образованием пирувата;2) окислительное декарбоксилирование пирувата (участок,общий для глюкозы, глицерола, некоторых аминокислот);3) цитратный цикл (участок, общий для глюкозы, липидов,аминокислот).Первый этап включает в себя три последовательные стадии:1) изомеризацию и фосфорилирование глюкозы с образова-нием фруктозо-1, 6-дифосфата;2) образование из молекулы фруктозо-1, 6-дифосфата двухмолекул 3-фосфоглицеринового альдегида (3-ФГА);3) окислительно-восстановительные превращения 3-ФГА допирувата, ведущие к синтезу АТФ. На этой стадии последова-тельно протекает 3-ФГА с восстановлением НАД-дегидрогена-зы, а образующийся 1,3-дифосфоглицерофосфат содержит макро-эргическую связь за счет энергии окисления. Далее происходитперефосфорилирование с АДФ и образование АТФ (субстрат-ное фосфорилирование). В следующей реакции остаток фосфа-та из положения 3 переносится в положение 2, а затем осу-ществляется дегидратация 2-фосфоглицерата. Это приводитк образованию фосфоенолпирувата с макроэргической связью,появление которой обусловлено электронной перестройкой.В завершение вновь происходит реакция субстратного фосфо-рилирования — перенос макроэргического остатка фосфатас фосфоенолпирувата на АДФ, в результате чего образуетсяеще одна молекула АТФ.

91

Второй этап — окислительное декарбоксилирование пиру-вата — многостадийный процесс. Он катализируется сложнымкомплексом, включающим пируватдекарбоксилазу, ацетил-трансферазу и дегидрогеназу дигидролипоевой кислоты. Такжеучаствуют пять коферментов: НАД, ФАД, тиаминдифосфат(ТДФ), липоевая кислота (ЛК) и кофермент А (КоА).

Суммарный результат взаимодействия этого сложного комп-лекса с пируватом:

Выделяют три реакции, ведущие к образованию ацетил-КоА:1) декарбоксилирование пирувата (катализатор — пиру-ватдегидрогеназа, кофермент — ТДФ). В реакции учас-т-вует кофермент ТДФ, который превращает-ся в оксиэтил-ТДФ;2) окисление оксиэтила до ацетата и перенос ацетила на КоА(катализатор — ацетилтрансфераза). Кофермент — окислен-ная форма ЛК — принимает оксиэтил от ТДФ на один из ато-мов серы. При этом один из атомов водорода присоединяетсяк другому атому серы, в завершение ацетальдегид переходитв ацетил. Это окисление сопровождается появлением макроэргиче-ской связи. Далее ацетиллипоевая кислота взаимодействуетс КоА-Н и ацетил переносится на КоА с образованием аце-тил-КоА;3) окисление дегидролипоевой кислоты дегидрогеназой ди-гидролипоевой кислоты (дигидролипоилдегидрогеназа, ФАД-за-висимый фермент, передающий водород на НАД с образова-нием НАД*Н2).Третий этап — цитратный цикл Кребса, цикл трикарбоно-

вых кислот, в который включается ацетил-КоА и щавелево-уксусная кислота, образуя лимонную кислоту, которая в результа-те ряда превращений преобразуется в щавелево-уксусную кислоту, теряя два атома углерода, принадлежащих ацетилу,в виде двух молекул СО2.

92

2. Реакции цикла Кребса

1. Синтез лимонной кислоты. Ацетил-КоА — продукт окис-лительного декарбоксилирования пирувата — конденсируетсяс щавелево-уксусной кислотой. Реакция синтеза осуществляет-ся за счет энергии макроэргической связи в ацетил-КоА, реак-ция необратима.

2. Изомеризация в изолимонную кислоту протекает приучастии аконитазы в два этапа: дегидратации и гидратациив другой позиции.

3. Дегидрирование и декарбоксилирование изоцитрата ката-лизируют два фермента (НАД-дегидрогеназа и декарбоксилазащавелево-янтарной кислоты), приводит к образованию α-кето-глутаровой кислоты.

4. Окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата ка-тализирует ферментный комплекс, сходный с пируватдекарбок-силазным. Реакция протекает при участии ТДФ, НАД, ФАД, ЛКи КоА с образованием сукцинил-КоА.

5. Деацилирование сукцинил-КоА катализирует сукцинил-тио-киназа при участии ГДФ и Н3РО4. Энергия макроэргической свя-зи сукцинил-КоА затрачивается на образование ГТФ, которая,в свою очередь, используется на синтез АТФ из АДФ и фосфата.

6. Дегидрирование сукцината (янтарной кислоты) катализи-рует сукцинатдегидрогеназа с образованием фумаровой кисло-ты (фумарата).

7. Присоединение к фумарату молекулы воды катализируетфумаразу, превращая ее в яблочную кислоту (малат).

8. Дегидрирование малата катализирует малатдегидрогена-за, превращая его в оксалоацетат, который в первой реакции цик-ла, соединяясь с ацетил-КоА, образовал лимонную кислоту.

Этой реакцией цикл замыкается, высвободившаяся молеку-ла оксалоацетата может вводить в цикл очередную молекулуацетил-КоА. Цикл происходит в матриксе митохондрий.

Реальная эффективность использования энергии составляетоколо 25 ммоль АТФ/моль глюкозы.

ЛЕКЦИЯ № 20. Пентозофосфатный шунт,регуляция углеводного обмена, нарушения углеводного обмена

1. Пентозофосфатный путь превращения глюкозы

Пентозофосфатный путь превращения глюкозы представлендвумя последовательными ветвями: окислительной и неокисли-тельной.

Окислительная ветвь: 1) глюкозо-6-Ф + НАДФ → 6фосфоглюконолактон ++ НАДФ*Н (фермент — Г-6-Ф-дегидрогеназа;2) 6-фосфоглюконолактон + Н2О → 6-фосфоглюконат ++ Н + (фермент — лактоназа);3) 6-фосфоглюконат + НАДФ → рибозо-5-фосфат + СО

2+

+ НАДФ*Н2

(фермент — 6-фосфоглюконатдегидрогеназа). Неокислительная ветвь: 1) рибозо-5-фосфат → рибозо-5-фосфат (фермент — пентозо-фосфатизомераза);2) рибозо-5-фосфат → ксилулозо-5-фосфат (фермент —пентозофосфатепимераза;3) ксилулозо-5-фосфат + рибозо-5-фосфат → седогептулозо-7-фосфат + глицеральдегин-3-фосфат (фермент -транскето-лаза);4) седогептулозо-7-фосфат + глицеральдегид-3-фосфат →→ фруктозо-6-фосфат + эритроза-4-фосфат (фермент —транскетолаза);5) ксилулоза-5-фосфат + эритрозо-4-фосфат → фруктозо-6-фосфат + глицеральдегид-3-фосфат (фермент — транскето-лаза).Биологическая роль пентозофосфатного пути:1) образование НАДФ*Н2;2) синтез рибозо-5-фосфата, который используется в реак-циях синтеза РНК, ДНК, АТФ, КоА, НАД, ФАД.

94

2. Регуляция углеводного обмена

Обмен углеводов регулируется факторами, влияющими на ак-тивность ферментов, участвующих в реакциях углеводного об-мена. К этим факторам относятся концентрация субстратов, со-держание продуктов отдельных реакций, кислородный режим,температура, проницаемость биологических мембран, концент-рация коферментов, необходимых для отдельных реакций.

Содержание глюкозы в крови регулируют многочисленныегормоны:

1) инсулин обеспечивает поступление глюкозы в клетки,активируя транспорт через клеточные мембраны и ускоряяее окислительный распад (активацию фосфогексокиназы,ферментов цикла Кребса), ускоряет гликогенообразованиев печени и мышечной ткани, синтез липидов из продуктовраспада сахаров и синтез аминокислот, тормозит гликогено-лиз, липолиз и глюконеогенез;2) панкреатический глюкагон ускоряет гликогенолиз, глюко-неогенез в печени, ограничивает активацию гликогенсин-тетазы инсулином, активирует процессы, ведущие к увели-чению содержания глюкозы в крови, тормозит синтез белка,ускоряет протеолиз, уменьшает использование глюкозыв синтезе аминокислот;3) глюкокортикостероиды ускоряют глюконеогенез, инду-цируя образование ферментов, катализирующих процесс,активируют гликогенолиз, способствуют гипергликемии;4) адреналин активирует гликогенолиз;5) соматотропный гормон стимулирует секрецию глюкаго-на и инсулина, что ускоряет выход в кровь глюкозы и при-водит к ее депонированию в виде гликогена.

3. Нарушения углеводного обмена

Сахарный диабет возникает при недостаточности инсулина.Выявляются гипергликемия, глюкозурия, уменьшается содержа-ние гликогена в печени, мышечная ткань теряет способность ути-лизировать глюкозу крови. В печени при общем снижении интен-сивности процессов биосинтеза (белков, жирных кислот изпродуктов распада глюкозы) усиливается синтез ферментов глюко-

95

96

неогенеза. Инсулин контролирует эти процессы на генетическомуровне как индуктор синтеза ключевых ферментов гликолиза: гек-сокиназы, фосфофруктокиназы, пируваткиназы. Инсулин действу-ет и как репрессор синтеза ключевых ферментов глюконеогенеза,индуктором синтеза ферментов служат глюкокортикоиды. Разви-тие гипергликемии при диабете есть также результат возбужденияметаболических центров в ЦНС импульсами и хеморецепторовклеток, испытывающих энергетический голод.

Гипергликемия может возникнуть при гипофизарных заболе-ваниях, опухолях коркового вещества надпочечников, гипер-функции щитовидной железы, органических поражениях ЦНС,нарушениях мозгового кровообращения, беременности.

Гипогликемия нередко связана с понижением функции эндо-кринных желез. Но особо следует оценивать гипогликемию какрезультат введения больным диабетом больших доз инсулина.

Глюкозурия является результатом нарушения углеводного об-мена при патологических изменений в поджелудочной железе(при сахарном диабете, остром панкреатите), реже глюкозурияимеет почечное происхождение и бывает связана с недостаточно-стью резорции глюкозы в почечных канальцах; временным явле-нием при некоторых острых инфекционных и нервных заболева-ниях, после приступов эпилепсии, сотрясения мозга, приотравлении морфином; может быть стрессового и алиментарногопроисхождения. При гипоксических состояниях происходит отста-вание скорости окисления пирувата от интенсивности гликолиза.При усилении гликолиза происходит накопление пирувата и лакта-та в крови, что сопровождается нарушениями кислотно-основногоравновесия.

Первичное нарушение всасывания глюкозы и галактозы про-является профузной диареей, дегидратацией, ацидозом и гипо-гликемией. Прием раствора фруктозы ликвидирует признаки диареи.

Врожденная недостаточность лактазы приводит к непере-носимости этого дисахарида и проявляется устойчивой диареейи гипотрофией.

Безлактозная диета ликвидирует эти симптомы.Недостаточность сахаразы-изомальтазы проявляется диа-

реей, раздражительностью, отставанием в росте, что появляет-ся после добавления в пищу сахарозы или крахмала; После на-грузки сахарозой гипергликемии не наблюдается.

О непереносимости лактозы свидетельствуют диарея, рво-та, ацидоз, лактозурия, протеинурия. Заболевание связано нес дефицитом фермента, а с токсичностью лактозы для организ-ма больного.

Галактоземия — результат дефицита галактокиназы, про-является ухудшением зрения за счет образования катаракты;в моче определяются галактоза и сахарный спирт, в которыйпревращается галактоза. Для диагноза важно установление низ-кой активности фермента в эритроцитах, галакто-1-фосфатемии.

Эссенциальная фруктозурия обусловлена недостаточно-стью фосфофруктокиназы, которая катализирует превращениефруктозы в фруктозо-1-фосфат. Клинические проявления от-сутствуют. Эссенциальная фруктозурия выявляется при гипер-гликемии и одновременном отсутствии в моче редуцирующихсахаров.

Наследственная непереносимость фруктозы связана с де-фицитом фруктозо-1-фосфатальдолазы, обеспечивающей вклю-чение фруктозы в основной путь превращения глюкозы. Ее лабо-раторные признаки: фруктоземия, фруктозурия, лактемия,гиперурикемия, гипогликемия после нагрузки фруктозой.

Недостаточность фруктозо-1,6-фосфатальдолазы имеет та-кие же проявления, но без поражения печени.

Гликогенозы — состояния, обусловленные дефицитом илиполным отсутствием ферментов, катализирующих процессыраспада и синтеза гликогена, который проявляется необычнойструктурой гликогена или его избыточным накоплением. Опи-саны шесть типов гликогенозов.

Агликогеноз — наследственное заболевание, вызванное де-фектом гликогенсинтетазы, ответственной за синтез гликогена.В печени отсутствует гликоген, выражена гипогликемия, харак-терным симптомами являются судороги. Их можно предупре-дить частым кормлением ребенка ночью.

ЛЕКЦИЯ № 21. Биологическая роль липидов, их классификация. Глицериды и воски

1. Биологическая роль и классификация липидов.Жирные кислоты

Липиды — большая группа природных органических соеди-нений, широко распространенных среди живых организмов, ха-рактеризующихся нерастворимостью в воде, растворимостьюв неполярных растворителях (эфире, хлороформе и бензоле) и со-держанием высших алкильных радикалов. Липиды играют важ-ную роль в процессах жизнедеятельности. Они входят в состав кле-точных мембран, влияют на их проницаемость, участвуютв образовании межклеточных контактов и передаче нервного им-пульса. Жиры являются очень эффективными источниками энер-гии. В натуральных жирах содержатся жирорастворимые вита-мины и незаменимые жирные кислоты. Липиды создают термоизоляционные покровы животных и защищают органы и тка-ни от механических повреждений.

Классификация липидов основана на их структурных осо-бенностях. Различают следующие классы липидов.

1. Простые липиды — сложные эфиры жирных кислот и раз-личных спиртов:

1) глицериды (ацилглицериды или ацилглицеролы по между-народной номенклатуре) — сложные эфиры трехатомногоспирта глицерина и высших жирных кислот;2) воски — сложные эфиры высших жирных кислот и одно-или двухатомных спиртов.2. Сложные липиды — сложные эфиры жирных кислот и спир-

тов, содержащие дополнительные группы, такие как:1) фосфолипиды — липиды, содержащие остаток фосфорной кис-лоты. Часто они содержат азотистые основания и другие компо-ненты. Различают глицерофосфолипиды (роль спирта исполняетглицерол) и сфинголипиды (роль спирта исполняет сфингозин);

98

2) гликолипиды (гликосфинголипиды);3) сдероиды;4) другие сложные липиды (сульфолипиды, аминолипиды,липопротеины и др).3. Предшественники и производные липидов — жирные кис-

лоты, глицерол, стеролы и другие спирты, альдегиды жирныхкислот, углеводороды, жирорастворимые витамины и гормоны.

Жирные кислоты — алифатические карбоновые кислоты.Они могут находиться в организме в свободном состоянии либовходить в состав липидов. Жирные кислоты с числом углеродныхатомов больше 12 называют высшими жирными кислотами.

В тканях человека и животных присутствует около 70 разныхжирных кислот, практическое значение имеют немногим более20 из них. Все они содержат четное число углеродных атомов,преимущественно от 12 до 24, преобладают кислоты, имеющие16 и 18 углеродных атомов. Около 3/4 всех жирных кислот явля-ются непредельными (ненасыщенными) — содержат двойныесвязи. Количество и положение двойных связей в соответствиис систематической номенклатурой обозначают с помощью циф-ровых символов (например, олеиновая кислота обозначается как18: 1; 9, где первая цифра — число углеродных атомов, вторая —число двойных связей, следующие цифры — номера ближайшихк кабоксильной группе атомов углерода, вовлеченных в образова-ние двойной связи). Физиологически важные насыщенные жир-ные кислоты — капроновая (С6), каприловая (С8), каприновая(С10), лауриновая (С12), миристиновая (С14), пальмитиновая (С16),стеариновая (С18), арахиновая (С20), бегеновая (С22) и лигноцери-новая (С24).

Физиологически важные ненасыщенные жирные кисло-ты — пальмитиновая (16: 1; 9), олеиновая (18: 1; 9), эруковая(22: 1; 13), линолевая (18: 2; 9, 12), линоленовая (18: 3; 9, 12,15), арахидоновая (20: 4; 5, 8, 11, 14) и клупанодоновая (22: 5;7, 10, 13, 16, 19).

Наличие двойной связи в цепи жирной кислоты ограничива-ет вращение углеродных атомов друг относительно друга, чтообеспечивает существование ненасыщенных жирных кислотв виде геометрических (цис- и транс-) изомеров. Природные не-насыщенные жирные кислоты почти всегда имеют цис-конфи-гурацию.

99

2. Глицериды и воски

Глицериды (ацилглицериды или ацилглицеролы) — сложныеэфиры трехатомного спирта глицерина и высших жирных кислот.При этерификации жирными кислотами всех трех гидроксильныхгрупп молекулы глицерина образуются триглицериды триацил-глицеролы, при этерификации двух или одной гидроксильнойгруппы — ди- и моноглицериды (диацил- и моноацилглицеролы)соответственно.

Триглицериды составляют основную массу нейтральных жиров.Нейтральные жиры находятся в организме в двух формах — в формепротоплазматического жира (внутриклеточного жира) и в форме за-пасного, резервного, жира, количество которого постоянно меняется.

Жирные кислоты в триглицеридах могут быть насыщеннымии ненасыщенными. Чаще всего встречаются пальмитиновая, стеари-новая и олеиновая кислоты. Простыми триглицеридами являются те,у которых все кислотные радикалы представлены одной жирнойкислотой, смешанные триглицериды имеют разные жирные кислоты

100

в радикалах. Названия смешанных триглицеридов составляют в за-висимости от входящих в их состав жирных кислот, при этом связьостатка жирной кислоты с соответствующей гидроксильной группойглицерина обозначают цифрами 1, 2 и 3. Физико-химические свой-ства триглицеридов определяются входящими в их состав жирнымикислотами. Температура плавления триглицеридов повышается помере увеличения числа и длины остатков насыщенных жирных кис-лот и снижается по мере укорочения цепей насыщенных и увеличе-ния содержания ненасыщенных жирных кислот. Животные жирысодержат большое количество насыщенных жирных кислот, благо-даря чему они твердые при комнатной температуре. Растительныежиры (масла) содержат много ненасыщенных жирных кислот, по-этому при комнатной температуре они жидкие. В промышленностишироко используется реакция гидрогенизации жирных кислотс целью получения маргарина.

В клинике используется реакция с йодом для определениястепени насыщенности жирных кислот, входящих в состав три-глицеридов. Йодное число — масса йода в граммах, присоеди-няющегося к 100 г жира. Чем оно больше, тем выше степень не-насыщенности жирных кислот. Норма йодного чис-ла — 64 г.Гидролиз триглицеридов (омыление) может происходить поддействием ферментов, кислот или щелочей и приводит к образо-ванию глицерина и смеси жирных кислот.

Гидролиз жиров в организме идет под действием ферментовтонкого кишечника, которые активируются желчными кислотами.

Воски — сложные эфиры высших жирных кислот и высших одно- или двухатомных спиртов с числом углеродных атомов бо-лее 16.

Воски образуют защитную смазку на коже человека и жи-вотных, предохраняют растения от высыхания, являются нор-мальными метаболитами некоторых микроорганизмов.

101

ЛЕКЦИЯ № 22. Фосфолипиды, гликолипиды и стероиды

1. Определение и классификация фосфолипидов.Глицерофосфолипиды и сфингофосфолипиды

Фосфолипиды — сложные эфиры многоатомных спиртов гли-церина или сфингозина и высших жирных кислот и фосфорной кис-лоты. В их состав входят также азотсодержащие вещества — холин,этаноламин и серин. Фосфолипиды подразделяются на глицеро-фосфолипиды и сфингофосфолипиды (в зависимости от много-атомного спирта, входящего в их состав). Наиболее широко рас-пространены в животных тканях глицерофосфолипиды.

Глицерофосфолипиды являются производными фосфатид-ной кислоты, состоят из глицерина, жирных кислот, фосфорнойкислоты и обычно азотсодержащих соединений.

R1 и R2 — радикалы жирных кислот, а R3 — радикал азотистогосоединения. Глицерофосфолипиды обладают выраженными поляр-ными свойствами за счет того, что часть их молекул (радикалы жир-ных кислот) гидрофобна, а другая (фосфорная кислота и радикал азо-тистого соединения) — гидрофильна.

При помещении в воду глицерофосфолипиды образуют мицел-лы. Глицерофосфолипиды подразделяются в зависимости от харак-тера азотистого основания на фосфатидилфолины (лецитины), фос-фатидилэтаноламины (кефалины) и фосфатидилсерины. Вместоазотистого основания глицерофосфолипиды могут содержатьшестиуглеродный циклический спирт — инозит, такие липиды на-зывают фосфатидилинозитолами.

102

1. Фосфатидилхолины (лецитины) — глицерофосфолипиды,состоящие из глицерина, остатков жирных кислот и фосфорнойкислоты, азотистого основания — холина.

2. Фосфатидилэтаноламины содержат азотистое основа-ние — этаноламин. Фосфатидилхолины и фосфатидилэтанолами-ны встречаются в организме человека и животных в наибольшемколичестве, они метаболически связаны друг с другом и являютсяглавными липидными компонентами мембран клеток.

3. Фосфатидилсерины содержат остаток аминокислоты се-рина. Они участвуют в синтезе фосфатидилэтаноламинов.

4. Фосфатидилинозитолы в качестве радикала R3 содержат шести-углеродный циклический спирт инозитол. Их гидролиз приводит

103

104

к отщеплению жирной кислоты в положении 2 с образованием лизо-фосфолипидов, оказывающих сильное гемолитическое действие.

Наиболее широко распространены сфинголипиды — сфинго-миелины, находящиеся в мембранах клеток. Особенно богата иминервная ткань. Сфингомиелины образуют жирная кислота, двух-атомный ненасыщенный спирт сфингозин, азотистое основаниеи фосфорная кислота.

2. Гликолипиды и стероиды

Гликолипиды — сложные липиды, содержащие углеводныйфрагмент. В животных тканях гликолипиды представлены в основ-ном гликосфинголипидами, состоящими из церамида, построенногоиз спирта сфингозина и остатка жирной кислоты, остатков сахаров.К гликолипидам относятся галактозилцерамиды глюкозилцерами-ды. Галактозилцерамиды встречаются в основном в нервной ткани,содержат гексозу и жирные кислоты с 24 углеродными атомами(лигноцериновую, нервоновую или цереброновую).

Структура галактозилцерамидаСульфогалактозилцерамиды имеют в своем составе остаток

серной кислоты, присоединенный к третьему углеродному ато-му гексозы. Сульфогалактозилцерамиды содержатся в белом ве-

фосфорная кислота

холин

ществе мозга. Глюкозилцерамиды содержат вместо остатка га-лактозы остаток глюкозы. Они находятся в тканях, отличных отнервной. Из глюкозилцерамидов образуются ганглиозиды, со-держащие дополнительно одну или несколько молекул сиаловойкислоты. Вместо остатка глюкозы они чаще содержат сложныйолигосахарид. Ганглиозиды содержатся в больших количествахв нервной ткани, выполняют рецепторные функции.

Стероиды — широко распространенные в природе соедине-ния, относящиеся к неомыляемым жирам. К стероидам относятсягормоны коркового вещества надпочечников, желчные кислоты,витамины группы D, сердечные гликозиды и др. В oснове структу-ры стероидов лежит циклопентанпергидрофенантрен.

Стероиды имеют много потенциальных стереоизомеров. Каждоеиз колец A, B и C может принимать пространственные конформации«лодки» либо «кресла». В природных стероидах все кольца находят-ся в форме «кресла», являющейся более устойчивой. По отношениюдруг к другу кольца могут находиться в цис- и трансположении.Среди стероидов выделяется группа соединений, называемых сте-ринами. Для них характерно наличие гидроксильной группы в поло-жении 3 и боковой цепи в положении 13. Важнейший представитель

105

стеринов — холестерин — является ненасыщенным спиртом, всекольца которого находятся в трансположении.

Кольцевая структура холестерина отличается большой жестко-стью, в то время как боковая цепь относительно подвижна. Гидро-ксильная группа при C-3 может быть этерифицирована жирнойкислотой с образованием эфиров холестерина — холестеридов.

Холестерин содержится во всех клетках млекопитающих,вместе с фосфолипидами и белками обеспечивает избиратель-ную проницаемость клеточной мембраны, оказывает регули-рующее влияние на состояние мембраны и активность связан-ных с ней ферментов. Холестерин — источник образованияжелчных кислот и половых гормонов. Продукт его окисле-ния — 7-дегидрохолестерин — под действием солнечных лучейв коже превращается в витамин D3.

3. Переваривание и всасывание липидов

Липиды поступают в организм с пищей животного и расти-тельного происхождения (ежесуточно около 90 г), имеют важноеэнергетическое значение, участвуют в образовании клеточныхмембран, являются растворителями витаминов. С жирами вводят-ся некоторые полиненасыщенные кислоты, которые относятсяк категории незаменимых (линолевая, линоленовая, арахидоно-вая). Триацилглицериды содержатся в пищевых жирах, мясе, бога-тый источник жиров — куриное яйцо, особенно желток (до 31%).Фосфатидами и холестерином богаты желток куриного яйца, икра,печень, мозги. Переваривание липидов происходит в двенадцати-перстной кишке, где сосредоточены липаза (сок поджелудочнойжелезы) и конъюгированные желчные кислоты в составе желчи.Желчные кислоты, являясь амфифильными соединениями, ориен-тируются на границе раздела жира и воды, погружаясь гидрофоб-ной частью молекулы в каплю жира, а гидрофильной оставаясьв водной среде, что приводит к снижению поверхностного натяже-

106

ния и к дроблению капель жира. На поверхности мельчайших ми-цел сорбируется липаза, гидролизующая эфирные связи в молеку-ле липидов. В результате триацилглицерид теряет остатки жирныхкислот, последние усиливают эмульгирование липидов. Всасы-ваться могут негидролизованные жиры и продукты их гидролиза.Около 3/4 липидов всасываются в виде моноацилглицеридов.

Желчные кислоты образуют мицеллы с жирными кислотамии моноацилглицеридами, что позволяет проникать в клетки сли-зистой оболочки. В толще слизистой оболочки желчные кисло-ты высвобождаются, поступают в портальный кровоток, с токомкрови — в печень, затем секретируются в желчные капилляры,используясь повторно. Потери желчных кислот с калом компен-сируются их синтезом в печени. Нарушение желчеобразованияили поступления желчи в кишечник приводит к выделению жи-ров в непереваренном виде с калом (стеаторее).

В клетках кишечника продукты переваривания жиров вступаютв процесс ресинтеза, образуя липиды, свойственные данному орга-низму. Ресинтезированный жир и частично продукты перевариванияжира поступают в лимфатические капилляры и в капилляры пор-тальной системы. Липиды нерастворимы в жидкостях организма, ихтранспорт кровью происходит только после включения в состав липо-протеидов, в которых белки играют роль солюбилизатора.

Всего существуют четыре вида липопротеинов: две — хиломик-роны и липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП), обра-зуются в кишечнике и представляющие собой транспортные формылипидов.

4. Окисление жирных кислот

Жирные кислоты (ЖК) вовлекаются в процесс β-окисления, ко-торый происходит в митохондриях скелетных мышц и миокарде.Превращения жирных кислот начинаются с их активации, т. е. об-разования ацил-КоА. RCOOH + HSКоА + АТФ → RCO —КоА + АМФ+ + фосфат. Реакция катализируется ацил-КоА-синте-тазой.

Мембрана митохондрий непроницаема для жирных кислот, ихперенос обеспечивается карнитином.

Карнитинацилтрансфераза катализирует присоединение ацил-КоА к карнитину с образованием ацилкарнитина, который прони-

107

кает в митохондрии, где вновь преобразуется в ацил-КоА, а карни-тин высвобождается. Дальнейшие этапы β-окисления:

1) дегидрирование при участии ФАД-зависимой дегидро-геназы;2) присоединение воды (гидроксил — в β-положение) с об-разованием гидрооксиацил-КоА;3) дегидрирование НАД-зависимой дегидрогеназой у β-угле-родного атома с образованием β-кетоацил-КоА.Реакцию катализирует тиолаза, расщепляющая тиосвязь, что

приводит к образованию ацетил-КоА и ацил-КоА с укорочен-ной на два углеродных атома цепью.

Ацетильный остаток ацетил-КоА окисляется в лимонно-кис-лом цикле, укороченная жирная кислота вовлекается в повтор-ный цикл. В реакциях дегидрирования (1,2) восстанавливаютсякоферменты, они передают атомы водорода на дыхательнуюцепь, что сопровождается синтезом АТФ. Полный выход АТФпри окислении ЖК больше, чем при окислении глюкозы, и за-висит от длины цепи жирной кислоты. При окислении ЖК с не-четным числом углеродных атомов на последнем цикле β-окис-ления образуется одна молекула пропионил-КоА, которыйпревращается в результате карбоксилирования и изомеризациив сукцинил-КоА, затем в фумарат, сгорающий в цикле Кребса.

5. Метаболизм кетоновых тел

Под кетоновыми телами подразумевают ацетоуксусную кис-лоту (ацетоацет), β-оксимасляную кислоту и ацетон. Ацетонв крови в норме присутствует в крайне низких концентрациях. Онобразуется в результате спонтанного декарбоксилирования ацето-уксусной кислоты. Кетоновые тела образуются в печени из аце-тил-КоА. В крови здорового человека кетоновые тела содержатсялишь в небольших количествах. У лиц с тяжелым сахарным диа-бетом, при голодании концентрация кетоновых тел в крови значи-тельно увеличивается. Кетонемия возникает в случаях, когда ско-рость образования кетоновых тел превышает способностьпериферических тканей их утилизировать. В периферических тканях β-оксимасляная кислота окисляется до ацетоуксусной кис-лоты, а последняя активируется с образованием соответствую-щего КоА-эфира (ацетоацетил-КоА). Существует два фермента-

108

тивных механизма активации ацетоуксусной кислоты. Первыйпуть — использование АТФ и HS-КоА, второй путь — переносКоА от сукцинил-КоА на ацетоуксусную кислоту.

Данная реакция катализируется ферментом 3-кетоацил-КоА-трансферазой.

Образовавшийся в ходе этих реакций ацетоацетил-КоА под-вергается далее тиолитическому расщеплению в митохондрияхс образованием двух молекул ацетил-КоА, который окисляетсязатем в цикле трикарбоновых кислот.

ЛЕКЦИЯ № 23. Биосинтез липидов

1. Биосинтез жирных кислот

Синтез ЖК протекает в цитозоле и включает следующие реак-ции:

1) карбоксилирование ацетил-КоА карбоксилазой, содержа-щей биотин;2) перенос ацетильной и малонильной групп на ацилпере-носящий белок при участии ацетил- и малонил-транса-цилаз;3) конденсацию ацетила и малонила с образованием ацето-ацетила-ацилпереносящего белка;4) восстановление кетона в спирт;5) отщепление воды;6) насыщение двойной связи.Синтез сложных липидовНаряду с жирными кислотами и глицерином в состав слож-

ных липидов входят компоненты, которые используются какстроительные блоки в синтезе сложных соединений.

ЭйкозаноидыТкани животных обладают ограниченной способностью пре-

вращать насыщенные жирные кислоты в ненасыщенные, поэто-му в их пище должны присутствовать полиненасыщенные жир-ные кислоты.

Они являются предшественниками эйкозановых жирных кис-лот, из которых затем и образуются эйкозаноиды (простагланди-ны, тромбоксаны и лейкотриены).

Арахидоновая кислотаАрахидоновая кислота (полиненасыщенная жирная кислота)

после освобождения из фосфоглицеридов (фосфолипидов) био-мембран (в зависимости от ферментативного пути превращения)дает начало простагландинам и лейкотриенам по следующейсхеме.

110

Первый путь называется циклооксигеназным путем превра-щения арахидоновой кислоты. Центральным химическим процес-сом биосинтеза является включение молекулярного кислородав структуру арахидоновой кислоты, осуществляемое специфиче-скими оксигеназами, которые, помимо окисления, катализируюти циклизацию с образованием промежуточных продуктов прост-аг-ландин-эндоперекисей. Последние под действием изомераз пре-вращаются в первичные простагландины, которые синтезируютсяво всех клетках, кроме эритроцитов, действуют на гладкую муску-латуру ЖКТ, репродуктивной и респираторных тканей, сосудов,автономно регулируют нервное возбуждение, процессы воспале-ния. Их действие опосредовано цАМФ и цГМФ. Тромбоксан Асинтезируется в ткани мозга, селезенке, легких, тромбоцитах. Онвызывает агрегацию тромбоцитов, способствуя тромбообразова-нию, обладает мощным сосудосуживающим действием.

Второй путь превращения арахидоновой кислоты — липоокси-геназный. Он дает начало синтезу биологически активных ве-ществ — лейкотриенов, у них отсутствует циклическая структу-ра, все они содержат по четыре двойные связи, некоторые из нихобразуют пептидолипидные комплексы с глутатионом. Лейко-триены способствуют сокращению гладкой мускулатуры

2. Биосинтез триглицеридов и фосфолипидов

Триглицериды и фосфатидные кислоты синтезируются наоснове глицерофосфата. Эти соединения образуются из глице-рина в результате переаминирования с АТФ (катализатор — ли-

111

фосфоглицериды

арахидоновая кислота

простаноиды:1) простагландины;2) простациклины;3) тромбоксаны.

лейкотриены:1) ЛТА;2) ЛТВ;3) ЛТС;4) ЛТD.

церо-киназа) или диоксиацетонфосфата (образуется в ходе глико-лиза) в результате восстановления за счет НАДФ*Н2, катали-зируемого глицеролфосфат дегидрогеназой.

Глицеролфосфат реагирует с двумя молекулами ацил-КоА,образуя фосфатидные кислоты. Фосфатидная кислота под дей-ствием фосфатазы теряет остаток фосфата. Высвободившийсядиглицерид реагирует с третьей молекулой ацил-КоА, образуятриглицерид.

Биосинтез холестеринаНа долю холестерина приходится основная масса липоидов

человека. Наиболее богаты им миелиновые мембраны. Частьхолестерина содержится в форме эфиров жирных кислот.

Функции холестерина:1) структурный компонент клеточных мембран;2) предшественник в синтезе других стероидов (гормонов,витамина D, желчных кислот).Биосинтез холестерина осуществляется на основе ацетил-

КоА, промежуточными продуктами являются β-гидрокси-β-ме-тилглутарил-КоА, сквален, ланостерин. 80% холестерина синтезируются в печени, около 10% — в клетках кишечника, 5% —в клетках кожи. Синтез холестерина регулируется по принципуобратной отрицательной связи: холестерин угнетает синтезфермента, катализирующего образование мевалоновой кисло-ты. Желчные кислоты (хенодезоксихолевая и холевая) образу-ются в клетках печени непосредственно из холестерина. Послевыделения в кишечник под действием микрофлоры из них об-разуется литохолевая и дезоксихолевая кислоты. Они образуютконъюгированные желчные кислоты, которые составляют ос-новную массу желчных кислот в желчи. Одна из функций желч-ных кислот — эмульгирование липидов в кишечнике — обеспе-чивается за счет амфифильных свойств.

ЛЕКЦИЯ № 24. Регуляция и нарушениялипидного обмена

1. Регуляция липидного обмена

При физиологических условиях депонирование липидов, ихмобилизация, синтез и распад жирных кислот уравновешиваютдруг друга по скорости протекания.

1. При ограниченном потреблении углеводов или нарушенииих использования (дефиците инсулина) усиливаются мобилиза-ция жирных кислот и их транспорт кровью в печень. Происходитснижение скорости потребления ацетил-КоА путем:

1) вовлечения в цикл трикарбоновых кислот;2) синтеза жирных кислот в печени.Скорость потребления ацетил-КоА в ЦТК падает в связи

с уменьшением количества промежуточных продуктов обменауглеводов, которые в норме активируют начальные процессыЦТК. Торможение синтеза жирных кислот в печени вызвано за-медлением скорости образования продуктов ЦТК и снижениемактивности ацетил-КоА-карбоксилазы, которая катализируетпревращение ацетила-КоА в малонил-КоА — первый продуктсинтеза жирных кислот. В результате больше ацетил-КоА на-правляется на синтез ацето-ацетил-КоА, который используетсядля образования кетоновых тел и синтеза холестерина.

2. При достаточном поступлении углеводов с пищей и нормаль-ном поступлении глюкозы в клетки (что обеспечивается инсули-ном) увеличивается содержание метаболитов ЦТК. Два из них (цит-рат и изоцитрат) стимулируют ацетил-КоА-карбоксилазу, котораякатализирует образование малонил-КоА — первого продукта на пу-ти синтеза жирных кислот, т. е. ускоряется и синтез последних. На-копление ацетил-КоА тормозит декарбоксилирование пирувата.В связи с этим повышается использование Г-6-Ф по пентозофосфат-ному пути, ведущему к накоплению НАДФ*Н2, необходимого длясинтеза липидов. Накопление ацетил-КоА — результат интенсивно-го распада глюкозы и накопления достаточного количества АТФ.

113

Избыток АТФ тормозит в ЦТК дегидрогеназу изоцитрата, при этомнакапливается его предшественник — цитрат, который переходитиз митохондрий в цитоплазму, где распадается до ацетил-КоА.Контроль скорости мобилизации и липогенеза происходит подвлиянием гормонов. Активация липолиза происходит под воздей-ствием адреналина и норадреналина, кортикостероидов, глюка-гона и гормонов гипофиза — вазопрессина, АКТГ, липотропинов.Одновременно эти гормоны ограничивают стимуляцию липо-генеза инсулином, результатом является повышение содержанияжирных кислот в крови.

Обратный процесс — накопление липидов в депо — стиму-лирует инсулин. Он также активирует липогенез, обеспечиваеттранспорт глюкозы в клетку и ее окисление по основному пути.Избыточное поступление углеводов с пищей, не компенсируе-мое энергозатратами, сопровождается чрезмерным накоплени-ем липидов. Недостаточное поступление углеводов с пищейили не компенсируемые углеводами энергозатраты сопровож-даются мобилизацией липидов и появлением кетоза. Синтезацилтриглицеридов и фосфолипидов основывается на одинако-вых предшественниках — глицерофосфате и жирных кислот,что определяет конкуренцию за эти компоненты. Холин можетлимитировать синтез фосфолипидов. При дефиците холина илидонаторов метильных групп затрудняется синтез фосфатидил-холина. В этом случае чрезмерно усиливается синтез ацетил-триглицеридов, что может привести к жировому перерождениюпечени.

2. Нарушения липидного обмена

Нарушения переваривания и всасывания липидов могутбыть результатом:

1) процессов в поджелудочной железе с дефицитом панкреа-тической липазы;2) дефицита желчи в кишечнике;3) снижения метаболической активности слизистой оболочкикишечника, где локализованы ферменты ресинтеза триацил-глицеридов.В связи с этим выделяют панкреатогенную, гепатогенную,

энтерогенную стеаторею.

114

Нарушение метаболизма липидовГидрофобные липиды транспортируются кровью в виде над-

молекулярных образований — липопротеинов, в состав которыхвходят триацилглицериды, холестерин, фосфолипиды и протеи-ны. Основная транспортная форма триглицеридов — ЛПОНП,ресинтезированные липиды (триацилглицериды) встраиваютсяв хиломикроны. При недостаточной активности липротеинлипа-зы крови нарушается переход жирных кислот из хиломикроновплазмы в жировые депо, не расщепляются триглицериды.

Кетонемия и кетонурияПри голодании и сахарном диабете содержание кетоновых

тел в крови может значительно повышаться, что сопровождает-ся увеличением содержания кетоновых тел в моче. Кетонемияимеет следующее объяснение: за счет энергетического голодапри недостатке инсулина глюкоза не может с достаточной ско-ростью поступать в клетку, при этом резко усиливаются липо-лиз и мобилизация большого количества жирных кислот из жи-рового депо в печень, где происходит усиленное образованиекетоновых тел. Последние в огромных количествах транспорти-руются к периферическим тканям и полностью не могут бытьиспользованы в качестве энергетического материала.

3. Атеросклероз и липопротеины

Плазменные липопротеины — сложные комплексные соеди-нения, в состав которых, кроме белка, входит липидный компонент.Внутри липопротеиновой частицы находится жировая капля, содер-жащая неполярные липиды (триглицериды, этерифицированныйхолестерин). Жировая капля окружена оболочкой, в состав которойвходят фосфолипиды, белок и свободный холестерин. Из всех липо-протенов плазмы атерогенностью обладают в первую очередьЛПНП и ЛПОНП. Начальный пусковой механизм развития атеро-склеротического процесса — проникновение липопротеидов илипродуктов их деградации, богатых холестерином или его эфирами,через эндотелий в субэндотелиальное пространство. Главная причи-на отложений — гиперхолестеринемия на фоне поврежденного эндотелия, последнее вызывается артериальной гипертензией, вос-палительными процессами, гиперкоагуляцией, воздействием токси-ческих веществ. Липопротеины, проникшие в сосудистую стенку,

115

116

поглощаются фагоцитами. Все их составные части разрушаютсяферментами лизосом. Исключение составляет холестерин: в клет-ках имеется ферментная система, обеспечивающая этерификациюхолестерина, но нет ферментов, катализирующих его распад. Поэто-му эфиры холестерина накапливаются в клетках в больших количест-вах, клетки разрушаются. Эфиры холестерина оказываются в меж-клеточном пространстве, инкапсулируются за счет разрастаниясоединительной ткани и отложения солей, образуя атеросклероти-ческие бляшки. Основной источник холестерина для несинтези-рующих его тканей — ЛПНП. Если в клетке накоплен избытокхолестерина, новые рецепторы плазматической мембраны клетокне образуются, и клетки теряют способность поглощать холесте-рин из крови. При наследственном отсутствии или дефиците ре-цепторов общее содержание холестерина и ЛПНП возрастает, хо-лестерин откладывается в различных тканях.

4. Желчные кислоты

Появление в крови конъюгированных желчных кислот ука-зывает на заболевание печени. С мочой выделяются главнымобразом сульфатированные желчные кислоты, повышение ихсодержания в моче является признаком гепатоцеллюлярной илихолестатической желтухи.

Гиперлипопротеинемии:1) тип I — результат нарушения лизиса хиломикронов, свя-занного с дефицитом липопротеинлипазы, встречается край-не редко; 2) тип IIа — результат замедления распада ЛПНП, проявля-ется ранним атеросклерозом, может быть результатом из-бытка жиров в пище. Диагностируется на основании повы-шения уровня β-липопротеинов и общего холестерина.Уровень триглицеридов нормальный;3) тип IIб напоминает IIа тип, диагностируется при повы-шении содержания холестерина и триглицеридов, β-липо-протеинов, сниженной толерантности к глюкозе;4) тип III вызывается замедленным распадом ЛПОНП, про-является ранним атеросклерозом и ксантоматозом. Диагноз ос-новывается на повышенном содержании триглицеридов и хо-лестерина, ЛПОНП, повышенной толерантности к глюкозе;

5) тип IV характеризуется гиперинсулинемизмом, избыткомуглеводов в питании, индуцирующим интенсивный синтезтриглицеридов в печени. Проявляется ранним атеросклеро-зом, снижением толерантности к глюкозе, гиперурикемией,встречается часто. Как вторичная форма сопровождает алко-голизм, синдром Иценко—Кушинга, диабетический ацидоз,гликогенозы, подагру;6) тип V проявляется ожирением, панкреатитом, ангиопа-тией. Лабораторно выявляется увеличение содержания хило-микронов, триглицеридов, пре-β-липопротеинов, уровеньхолестерина нормален или слегка повышен. Может сопро-вождать в качестве вторичной формы алкоголизм, диабети-ческий ацидоз и панкреатит.

ЛЕКЦИЯ № 25. Общие представленияо витаминах, методы определения и классификация витаминов

1. Общие представления о витаминах, понятие антивитаминов, методы определения витаминов

Витамины — незаменимые пищевые факторы, которые, при-сутствуя в пище в небольших количествах, обеспечивают нор-мальное развитие организма животных и человека и адекватноепротекание биохимических и физиологических процессов. Вита-мины отличаются от всех других органических веществ тем, чтоони не используются организмом в качестве источника питанияи не включаются в структуру тканей. Недостаточное поступле-ние витаминов в организм, полное отсутствие их в пище или на-рушение их всасывания и транспорта вызывают нарушение про-цессов обмена и развитие патологии. Авитаминозы — болезни,возникающие при полном выключении из рациона или полном на-рушении усвоения какого-либо витамина. Гиповитаминозы — бо-лезни, обусловленные недостаточным поступлением витаминовс пищей или неполным ее усвоением. Гиповитаминозы встречают-ся у человека значительно чаще, чем авитаминозы. Гипервитами-нозы — патологические состояния, связанные с поступлением из-быточного количества витаминов в организм. Описаны случаигипервитаминозов A, D, K и др.

При авитаминозах многие расстройства обмена веществ обус-ловлены нарушениями деятельности или активности ферментныхсистем, так как многие витамины входят в состав простетическихгрупп ферментов. Академик Н. Д. Зелинский считал, что витами-ны регулируют обмен веществ не непосредственно, а опосредо-ванно, через ферменты, в состав которых они входят.

Антивитамины — структурные аналоги витаминов, способ-ные блокировать активные центры ферментов, вытесняя из нихсоответствующие производные витаминов (коферменты) и вы-

118

зывая конкурентное ингибирование ферментов. К антивитами-нам относятся соединения, после введения которых в организмразвивается классическая картина гипо- или авитаминоза. Анти-витамины используют для подавления роста и размножения бак-терий, нуждающихся в них. Причины гипо- и авитаминозов че-ловека и животных подразделяются на экзо- и эндогенные.К экзогенным причинам относится недостаточное поступлениевитаминов в организм. Недостаточное или неполноценное пи-тание чаще всего влечет развитие экзогенных авитаминозов.

Эндогенными причинами являются:1) повышенная потребность в витаминах при некоторыхфизиологических и патологических состояниях (беременно-сти, лактации, тиреотоксикозе, кахексии и др.);2) усиленный распад витаминов в кишечнике вследствиедеятельности микрофлоры;3) нарушение процесса всасывания витаминов вследствиенарушения моторной и секреторной функций кишечника;4) болезни печени, поджелудочной железы, вызывающиезакупорку желчных путей и нарушение всасывания жирови жирорастворимых витаминов.Методы определения витаминов в биологических объек-

тах подразделяются на физико-химические и биологические.К физико-химическим методам относятся фотоколориметриче-ские, спектрофотометрические, флюорометрические и титримет-рические методы. Биологические методы основаны на определе-нии минимального количества витамина, которое при добавлениик авитаминизированной диете предохраняет животное от разви-тия авитаминоза или излечивает его от развившейся болез-ни, что условно является («голубиной», «крысиной») единицей.Количество витамина выражают также в миллиграммах, микро-граммах, международных единицах (ME или IU).

2. Классификация витаминов

Современная классификация витаминов основана на физико-химических свойствах или на химической природе витаминов.В зависимости от растворимости в воде или в неполярных орга-нических растворителях различают водо- и жирорастворимыевитамины. К жирорастворимым относятся витамины A, D, Eи K, остальные витамины — водорастворимые (см. табл. 3).

119

Таблица 3Витамины

120

ВитаминБиологиче-

ский эффект

Активная(кофер-

ментная)форма

Биохимическаяфункция (тип ката-лизируемой реакции

Рекомен-дуемая су-

точная дозадля челове-

ка, мг

Жирорастворимые витамины

A (рети-нол)

Антиксе-рофтальми-

ческийРетиналь Зрительный процесс 2,7

D (каль-циферо-

лы)

Антирахи-тический

1,25-дио-ксихоле-

кальцифе-рол

Обмен кальция и фос-фора

0,01—0,025

E (токо-ферол)

Антисте-рильный,

витамин раз-множения

—Транспорт электронов(защита мембранных

липидов)5,0

K (фил-лохи-нон)

Антигемор-рагический

—Перенос электронов

(кофактор в реакцияхкарбоксилирования)

1,0

Водорастворимые витамины

B1(тиамин)

Антиневри-тический

Тиаминпи-рофосфат,тимидин-дифосфат

Декарбоксилированиеα-кетокислот, пере-

нос активного альде-гида (транскетолаза)

1,2

B2 (ри-бофла-

вин)

Витаминроста

Флавина-денинди-

нуклеотид,флавинмо-нонуклео-

тид

Дыхание, переносводорода

1,7

B3 (пан-тотено-вая кис-

лота)

Антидерма-титный

Коэнзим A(кофер-мент A)

Транспорт кислотныхгрупп

3—5

B6 (пи-

ридок-син)

Антидерма-титный

Пиридок-сальфос-

фат

Обмен аминокислот,перенос аминогрупп

2

Окончание табл. 3

Помимо водо- и жирорастворимых витаминов, выделяют груп-пу химических веществ, частично синтезируемых в организме,но обладающих свойствами витаминов — витаминоподобныевещества. К ним относятся холин, липоевая кислота, витаминB15 (пангамовая кислота), оротовая кислота, инозит, убихинон,парааминобензойная кислота, карнитин, линолевая и линолено-вая кислоты, витамин U (противоязвенный фактор), ряд факто-ров роста птиц, крыс, цыплят, тканевых культур и недавно открытый фактор пирролохинолинохинон с известными кофер-ментными и кофакторными свойствами, но нераскрытыми покавитаминными свойствами.

121

ВитаминБиологиче-

ский эффект

Активная(кофер-

ментная)форма

Биохимическаяфункция (тип ката-лизируемой реакции

Рекомен-дуемая су-точная до-

за длячеловека,

мг

B12 (ко-

баламин)Антианеми-

ческий

Дезоксиа-денозилко-

баламин

Кофермент метабо-лических реакций пе-

реноса алкильныхгрупп, метилирова-ние гомоцистеина)

0,003

Bc (фо-лиевая

кислота)

Антианеми-ческий

Тетра-гидрофо-

лиевая ки-слота

Транспорт одноугле-родных групп

1—2,2

PP (нико-тинамид,никоти-новая

кислота)

Антипелла-грический

НАД,НАДФ

Дыхание, перенос во-дорода

18

H (био-тин)

Антисебо-рейный,

фактор ростабактерий,дрожжейи грибков

Биоцитин(ε-N-био-

тинил-лизин)

Кофермент реакцийкарбоксилирования

0,25

С (ас-корбино-вая кис-

лота)

Антискор-бутный

—

Восстанавливающийкофактор для группы

монооксигеназ,гидроксилирование

пролина, катаболизмтирозина

75

ЛЕКЦИЯ № 26. Жирорастворимые витамины

1. Витамины группы A

Витамин A (ретинол, антиксерофтальмический витамин) су-ществует в трех формах: как то витамины А1, А2 и цис форма витамина А1 (неовитамин А). Ретинол представляет собой цикличе-ский непредельный одноатомный спирт, состоящий из первич-ной спиртовой группы, соединенной через два остатка изопренас шестичленным кольцом (β-иононом).

Витамин А2 отличается от витамина А1 наличием дополни-тельной двойной связи в молекуле β-ионона. Существует боль-шое количество стереоизомеров витаминов группы А, однаколишь некоторые из них обладают биологической активностью.

Витамины группы А хорошо растворяются в жирах и жиро-растворителях (бензоле, хлороформе, эфире, ацетоне и др.), легкоокисляются в организме при участии специфических ферментовс образованием цис- и транс-альдегидов, называемых ретиненами(ретиналями), могут откладываться в печени в более устойчивойформе сложных эфиров с уксусной или пальмитиновой кислотами.

Витамин А оказывает влияние на проницаемость клеточныхмембран и биосинтез их компонентов (в частности, гликопротеи-нов), а также на барьерную функцию кожи и слизистых оболочек.Вероятна причастность витамина А к синтезу белка. Благодаряналичию двойных связей в молекуле витамин А может участво-вать в окислительно-восстановительных реакциях (образует пере-киси, повышающие скорость окисления других соединений).

122

CH3 CH3

CH = CH – C = CH – CH = CH – C = CH – CH2OH

1 ( )

CH3 H3C

CH3

Витамин А играет важную роль в процессе светоощущения.Сложный белок родопсин (зрительный пурпур), являющийся од-ним из двух основных светочувствительных пигментов, состоитиз липопротеина опсина и простетической группы, представлен-ной альдегидом витамина А1 (ретиналем). На свету родопсин рас-падается на белок опсин и ретиналь, который после серии кон-формационных изменений превращается в транс форму. С этимпревращением связан процесс трансформации энергии световыхлучей в зрительное возбуждение. В темноте происходит обрат-ный процесс — синтез родопсина, требующий наличия активнойформы альдегида — 11-цис ретиналя, который может синтезиро-ваться из цис ретинола, транс ретиналя или транс формы витами-на А при участии ферментов дегидрогеназы и изомеразы.

Симптомами недостаточности витамина А являются торможе-ние роста, снижение массы тела, специфические поражения кожи,слизистых оболочек и глаз. Поражение эпителия проявляется про-лиферацией и его патологическим ороговением. Характерно разви-тие сухости роговой оболочки глаза (ксерофтальмии) вследствие закупорки слезного канала, эпителий которого подвергается орого-вению. Ксерофтальмия влечет за собой размягчение роговицы (ке-ратомаляцию) с последующим ее изъязвлением. Наиболее ранними специфическим симптомом гиповитаминоза А является кури-ная, или ночная, слепота (гемералопия), выражающаяся в потереспособности различать предметы в сумерках при нормальномдневном зрении. Витамин А в наибольшем количестве содержит-ся в печени крупного рогатого скота и свиней, яичном желтке,цельном молоке, масле, сметане, сливках. Особенно много сво-бодного витамина А в жирах печени морских рыб. Красномякот-ные овощи (морковь, томаты, перец и др.) содержат большое ко-личество витамина А в виде провитаминов — каротинов α, β и γ.Наибольшей биологической активностью обладает β-каротин, прираспаде которого образуются две молекулы витамина А. При рас-паде α и γ-каротина образуется по одной молекуле витамина А.

2. Витамины группы D

Витамин D (кальциферол, антирахитический витамин) су-ществует в природе в виде нескольких соединений (различающихсяпо химическому составу и биологической активности) витаминов D2

123

(эргокальциферола) и D3 (холекальциферола). Известен также вита-мин D4 (дигидроэргокальциферол). Предшественником витамина D2является провитамин D2 (эргостерин) — одноатомный ненасыщенныйциклический спирт, в основе структуры которого лежит циклопентан-пергидрофенантрен. Под действием УФ-излучения эргостерин черезряд промежуточных продуктов превращается в витамин D2.

Предшественником витамина D3 является провитамин D3 (7-де-гидрохолестерин), который при УФ-облучении превращается в ак-тивный витамин D3. Благодаря наличию холестерина и 7-дегидро-холестерина в составе липидов кожи человека возможен синтез витамина D3 при солнечном или УФ-облучении. Витамины D2 и D3представляют собой бесцветные кристаллы с температурой плав-ления 115—117 °С, нерастворимые в воде, но растворимые в жиро-растворителях. Витамин D выполняет свои биологические функции в организме в форме активных метаболитов — 1,25-ди-оксихолекальциферола [1,25(OH)2D3] и 24,25-диоксихолекаль-циферола [24,25(OH)2D3]. Процесс гидроксилирования в поло-жениях 2, 5 осуществляется в печени, в положении 1 —в почках.Эти метаболиты функционируют в системе регуляции обмена

124

кальция и минерализации костной ткани. 1,25(OH)2D3 регулируетвсасывание кальция и фосфора в кишечнике, резорбцию костной тка-ни и реабсорбцию кальция и фосфора в почечных канальцах.

24, 25(OH)2D3 регулирует процессы остеогенеза и ремоделиро-вания костной ткани. Недостаток витамина D в детском возрастеприводит к возникновению рахита, в основе развития котороголежат изменения фосфорно-кальциевого обмена. Симптомы ра-хита обусловлены нарушением нормального процесса остео-генеза: развивается остеомаляция (размягчение костей), кости подтяжестью тела принимают X- и O-образные формы, на границекостной и хрящевой частей ребер образуются утолщения («ра-хитические четки»).

Задерживаются появление первых зубов и формированиедентина. Развивается гипотония мышц. Недостаток витамина Dу взрослых приводит к остеопорозу: кости становятся хрупкимивследствие вымывания отложившихся солей, что часто приво-дит к переломам. В наибольшем количестве витамин D3 содер-жится в продуктах животного происхождения — сливочном мас-

125

ле, яичном желтке, печени и жирах (особенно рыбьем). В расти-тельных продуктах (растительных маслах и дрожжах) содержит-ся витамин D2.

3. Витамины группы E

Витамин Е, или токоферол (от гр. tokos — «потомство», phe-ro — «несу»), — активное вещество, предохраняющее от бес-плодия животных и человека. Впервые витамин Е был выделениз масла пшеничных зародышей и хлопкового масла. Существу-ет пять природных соединений, обладающих биологической ак-тивностью витамина Е, — α, β, γ, δ-токоферолы и 8-метилтокот-риенол. Все токоферолы являются производными 2-метил-2(4′,8′, 12′-триметилтридецил)-хроман-6-ола, или токола.

Разные виды токоферола отличаются друг от друга числоми расположением метильных групп в бензольном кольце. Токофе-ролы представляют собой бесцветные маслянистые жидкости, хоро-шо растворимые в жирах и жирорастворителях, устойчивые к нагре-ванию и легко разрушающиеся под действием УФ-излучения.

Между витамином Е и тканевым дыханием существует прямаясвязь, а между витамином Е и степенью окисления липидов — об-ратная. Токоферолы являются наиболее активными природнымижирорастворимыми антиоксидантами: они разрушают наиболееактивные формы кислорода, предохраняя таким образом от окисле-ния полиненасыщенные жирные кислоты. Кроме того, токоферолыиграют специфическую роль в обмене селена, который является со-ставной частью фермента глутатионпероксидазы, обеспечивающе-го защиту мембран от повреждающего действия пероксидных ра-дикалов. Таким образом, биологическая роль токофероловсводится к предотвращению окисления мембранных липидови снижению потребности клеток в глутатионпероксидазе, разру-

126

шающей образующиеся в клетке перекиси. Предполагаетсяучастие токоферолов в транспорте электронов и протонов, регуля-ции процесса транскрипции и метаболизме убихинона. Недоста-точность витамина Е у экспериментальных животных (в частно-сти, крыс) вызывает нарушение эмбриогенеза и дегенеративныеизменения репродуктивных органов, что в конечном счете ведетк стерильности. У самок плацента поражается сильнее, чем яич-ники, процесс оплодотворения яйца не нарушается, но оно вско-ре рассасывается. У самцов атрофируются половые железы, чтовлечет полную или частичную стерильность. Специфическимипроявлениями недостаточности витамина Е являются мышеч-ная дистрофия, жировая инфильтрация печени, дегенерацияспинного мозга. Следствием этого является резкое ограничениеподвижности. В мышцах снижается содержание миозина, глико-гена, калия, магния, фосфора и креатинина и повышается содер-жание липидов и хлорида натрия. Наиболее ценные источникивитамина Е — растительные масла (подсолнечное, хлопковое, сое-вое, кукурузное и др.), салат, капуста и семена злаков. Также вита-мин Е содержится в мясе, сливочном масле и яичном желтке. Ви-тамин Е способен откладываться во многих тканях (мышцах,жировой ткани, поджелудочной железе), поэтому авитаминозыи гиповитаминозы Е встречаются редко.

4. Витамины группы K

Согласно номенклатуре биологической химии к витаминамгруппы К относятся два типа хинонов с боковыми цепями, состоя-щими из изопреноидных звеньев, — витамины К1 (филлохинон)и К2 (менахинон).

В основе их химической структуры лежит кольцо 1,4-нафто-хинона. Витамин К является компонентом дыхательной цепиу некоторых бактерий вместо убихинона.

127

Витамин К1 представляет собой светло-желтую жидкость,распадается при нагревании в щелочной среде и при облучении.Витамин К2 представляет собой желтые кристаллы; он такженеустойчив. Витамины группы К нерастворимы в воде, но растворимы в полярных растворителях. Некоторые производ-ные нафтохинона, помимо витаминов К1 и К2, обладают вита-минными свойствами и высокой активностью. Синтетическийаналог витамина К, лишенный боковой цепи в положении 3, на-зывается витамином К3 (менадиол, или 2-метил-1,4-нафто-хинон). По своей сути это провитамин К. Наиболее широкое при-менение в медицинской практике нашел именно витамин К3в виде растворимого в воде бисульфитного производного — ви-касола.

Витамин К является антигеморрагическим фактором, существен-но укорачивающим время свертывания крови. Он принимает участие в синтезе протромбина в печени и стимулирует биосинтезв печени витамин К-зависимых плазменных факторов свертываниякрови — II, VII, IX, X. Активность этих факторов и протромбинаопределяется количеством остатков карбоксиглутаминовой кислотыв их молекулах. Посттрансляционное γ-декарбоксилирование остат-ков глутаминой кислоты в молекулах протромбина и плазменныхфакторов свертывания идет с участием γ-глутамилдекарбоксилазы,

128

витамин К2 (менахининон, n = 6,7 или 9)

витамин К3 викасол

для работы которой необходим витамин К, играющий роль кофакто-ра. Постсинтетическое карбоксилирование глутаминовой кислотыиграет важную роль в связывании молекулой белка ионов кальция засчет образования дополнительных отрицательно заряженных ионовкарбоксильных групп. При авитаминозе витамина К развиваютсясамопроизвольные паренхиматозные и капиллярные кровотече-ния (носовые кровотечения, кровоизлияния во внутренние орга-ны и др.). При недостаточности витамина К любые повреждениясосудов (включая повреждения при хирургических операциях)могут приводить к значительным кровотечениям. У человека ави-таминоз витамина К встречается редко, так как смешанная пищабогата витамином К, и он дополнительно синтезируется кишеч-ной микрофлорой. Авитаминоз развивается при нарушении всасы-вания жиров в кишечнике. К антивитаминам К относятся природ-ное вещество дикумарол (дикумарин) и синтетический аналогвитамина К варфарин (действует как конкурентный ингибитортромбообразования). Дикумарол и варфарин используются для ле-чения болезней, характеризующихся повышенной свертываемо-стью крови (например, коронарных тромбозов и тромбофлебитов).

Наиболее богаты витамином К зеленые листья каштана, кра-пивы, люцерны. В большом количестве витамин К содержитсяв капусте, шпинате, тыкве, зеленых томатах, арахисовом масле,ягодах рябины и других растительных продуктах. В животныхпродуктах витамин К содержится в незначительном количестве.

ЛЕКЦИЯ № 27. Водорастворимые витамины

1. Витамин B1

Витамин В1 (тиамин, антиневритический витамин) был первымкристаллическим витамином, выделенным К. Функом в 1912 г.Химическая структура его состоит из двух колец (пиримидиново-го и тиазолинового), соединенных метиленовой связью. Оба коль-ца синтезируются отдельно в виде фосфорилированных форм,а затем объединяются через четвертичный атом азота.

Витамин В1 (тиамин) хорошо растворим в воде, его водныерастворы в кислой среде выдерживают нагревание до высоких температур без снижения биологической активности. В нейтраль-ной или щелочной среде при нагревании витамин В1 быстро раз-рушается. При окислении тиамина образуется тиохром, дающийсинюю флюоресценцию при УФ-облучении (на этом основаноколичественное определение витамина В1). В кишечнике вита-мин В1 легко всасывается, однако не накапливается в тканях и необладает токсическим эффектом. Его избыток быстро выводитсяс мочой. Активная форма тиамина — тиаминпирофосфат, илитиаминдифосфат (ТПФ или ТДФ) — образуется при участии спе-цифического АТФ-зависимого фермента тиаминпирофосфокина-зы (содержится в основном в печени и ткани мозга).

Если витамин В1 поступает в организм с пищей в виде ТПФ, топирофосфат отщепляется от него под действием пирофосфатаз ки-шечника. Витамин В1 в виде ТПФ является составной частью поменьшей мере пять ферментов, участвующих в промежуточном об-

130

витамин В1

мене веществ. ТПФ входит в состав важнейших ферментных систем — пируват- и a-кетоглутаратдегидрогеназных комплексов(катализируют окислительное декарбоксилирование пировиног-радной и α-кетоглутаровой кислот). ТПФ в составе ферментатранскетолазы участвует в переносе гликоальдегидного радикалаот кетосахаров на альдосахара, является коферментом дрожжевойпируватдекарбоксилазы (при алкогольной ферментации) и дегидро-геназы γ-оксикетоглутаровой кислоты.

Кроме того, ТПФ участвует в окислительном декарбоксилирова-нии α-кетокислот и гликосиловой кислоты, образующихся при распа-де аминокислот с разветвленными радикалами, является эссенциаль-ным кофактором в составе фермента ацетолактатсинтетазы присинтезе валина и лейцина у растений.

При недостаточности или отсутствии витамина В1 развиваетсятяжелое заболевание — бери-бери (симптом Вернике, синд-ром Вейса), специфические симптомы которого связаны с наруше-нием деятельности сердечно-сосудистой, нервной и пищеваритель-ной систем. В зависимости от преобладания тех или иных симптомоввыделяют полиневритическую (сухую), отечную и остропротекаю-щую кардиальную (пернициозную) формы бери-бери.

Ранними симптомами недостаточности витамина В1 являютсянарушения моторной и секреторной функций пищеварительноготракта, изменения психики и нарушения деятельности сердечно-со-судистой системы. При прогрессировании заболевания выявляютсясимптомы поражения периферической нервной системы (вплоть допараличей конечностей), а также явления сердечной недостаточно-сти. Основное количество витамина В1 человек получает с расти-тельной пищей (дрожжами, пшеничным хлебом из муки грубогопомола, соей, фасолью, горохом).

Наиболее богаты витамином В1 продукты животного проис-хождения — печень, почки, мозг. Некоторое количество тиами-на синтезируется кишечной микрофлорой животных (напри-мер, коров).

131

гиаминпирофосфат (тиаминдифосфат)

132

2. Витамин B2

Витамин В2 (рибофлавин) в основе своей молекулы имеет гетеро-циклическое соединение изоаллоксазин (сочетание бензольного, пиразинового и пиримидинового колец), к которому в положе-нии 9 присоединен пятиатомный спирт рибитол. Рациональноеназвание рибофлавина — 6,7-диметил-9-D-рибитилизоаллоксазин.

В зависимости от источника получения рибофлавин можетиметь разные названия: лактофлавин (из молока), гепатофлавин(из печени), овофлавин (из яичного белка), вердофлавин (из растений). Витамин В2 хорошо растворим в воде, его растворыимеют оранжево-желтую окраску и характеризуются желто-зе-леной флюоресценцией. Рибофлавин устойчив в кислых раство-рах, но легко разрушается в нейтральной и щелочной средах.Он высокочувствителен к видимому и УФ-облучению, легкоподвергается обратимому восстановлению, присоединяя водо-род по месту двойных связей, превращаясь в результате в бес-цветную лейкоформу. Свойство рибофлавина легко окислятьсяи восстанавливаться имеет принципиальное значение для егобиологического действия в клеточном метаболизме.

Рибофлавин входит в состав флавиновых коферментов —флавинмононуклеотида (ФМН) и флавинадениндинуклеотида(ФАД), которые являются простетическими группами фермен-тов флавопротеинов. В дополнение к ФМН или ФАД некоторыефлавопротеины содержат прочносвязанные неорганические ионы (Fe2+ или Mo2+), способные катализировать транспорт элект-ронов. Флавопротеины катализируют два типа реакций:

1) реакции прямого окисления субстрата с участием кисло-рода — дегидрирование (отщепление протона и электрона)

рибофлавин

исходного субстрата или промежуточного метаболита. К фермен-там этой группы относятся оксидазы L- и D-аминокислот,глициноксидаза, альдегидоксидаза, ксантиноксидаза и др.;2) реакции переноса протонов и электронов от восстановлен-ных пиридиновых коферментов: изоаллоксазиновый остатокФМН или ФАД подвергается обратимому восстановлениюс присоединением протонов и электронов к N1 и N10. Эта груп-па ферментов играет главную роль в биологическом окислении.В организме животных ФМН синтезируется из свободного

рибофлавина и АТФ при участии фермента рибофлавинкиназы.ФАД образуется из ФМН при участии фермента ФМН-адени-лилтрансферазы. При недостаточности витамина В2 наблюда-ются остановка роста и выпадение волос (алопеция), как и прибольшинстве авитаминозов. Специфичными для авитаминозаВ2 являются воспалительные изменения слизистой оболочкиязыка (глоссит), губ, роговицы (вплоть до образования катарак-ты), эпителия кожи и др. У людей развиваются мышечная гипо-тония и слабость сердечной мышцы. Рибофлавин содержитсяв большом количестве в хлебе из муки грубого помола, семенахзлаков, яйцах, молоке, мясе, свежих овощах и др. В молоке ри-бофлавин содержится в свободном состоянии.

3. Витамин B3

Витамин В3 (пантотентовая кислота) чрезвычайно широкораспространен в живых объектах, откуда и его название (от гр.pantoten — «повсюду»). По своей структуре он является комп-лексным соединением α-аланина и 2,4-диокси-3,3-диметилмас-ляной кислоты.

Пантотеновая кислота представляет собой вязкую светло-жел-тую жидкость, легко растворимую в воде. Витамин В3 малоустой-чив и под действием слабых кислот и щелочей легко гидролизу-eтся по месту пептидной связи.

133

пантотеновая кислота

Пантотеновая кислота входит в состав кофермента (коэнзи-ма) А (КоА) — кофермента ацилирования. Этот кофермент участ-вует в ферментативных реакциях, катализирующих активированиеили перенос ацетильного радикала (CH3CO), а также способен ак-тивировать и переносить другие кислотные остатки. В результатеобразования ацил-КоА происходит активация карбоновой кисло-ты: она поднимается на более высокий термодинамический уро-вень, что создает выгодные термодинамические условия для ис-пользования ее в реакциях, протекающих с потреблением энергии.В основе структуры КоА лежит остаток 3′-фосфоаденозин-5′-ди-фосфата (отличается от АТФ наличием у 3′-гидроксильной груп-пы фосфата), соединенный с остатком пантотеновой кислоты, связанной через карбонильную группу с остатком β-меркаптоэти-ламина (тиоэтиламина). Реакционноспособной группой молекулыКоА в биохимических реакциях является SH-группа. КоА непосред-ственно участвует в основных биохимических процессах — окисле-нии и биосинтезе высших жирных кислот, окислительном декар-боксилировании пировиноградной и α-кетоглутаровой кислот,биосинтезе нейтральных жиров, фосфолипидов, стероидных гормо-нов, гема гемоглобина, ацетилхолина, гиппуровой кислоты и др.

При недостаточности пантотеновой кислоты у человека и жи-вотных развиваются дерматиты, воспаления слизистых оболочек,дистрофические изменения эндокринных желез (в частности, над-почечников) и нервной системы с развитием невритов и параличей.Наблюдаются также изменения в сердце и почках, потеря аппетита,истощение, прекращение роста, депигментация волос и алопеция.Пантотеновая кислота распространена повсеместно. Основнымиисточниками ее для человека являются печень, яичный желток,дрожжи и зеленые части растений. В небольшом количестве пан-тотеновая кислота синтезируется микрофлорой кишечника.

4. Витамин B6

Витамин В6 (пиридоксин) по химической структуре является про-изводным 3-оксипиридина — 2-метил-3-окси-4,5-диоксиметилпири-дином. Существует три производных 3-оксипиридина, обладающиходинаковой витаминной активностью и обозначаю-щихся термином«витамин В6» — пиридоксин, пиридоксаль и пиридоксамин.

134

Витамин В6 хорошо растворим в воде и этиловом спирте. Вод-ные растворы его устойчивы к действию кислот и щелочей, ночувствительны к влиянию света при нейтральном значении pH.

Все три производных 3-оксипиридина обладают одинаковыми ви-таминными свойствами, однако коферментные функции выполняюттолько фосфорилированные производные пиридоксаля и пиридокса-мина — пиридоксальфосфат и пиридоксаминофосфат. Фосфорили-рование пиридоксаля и пиридоксамина является ферментативной реакцией, протекающей с участием специфических ферментов — киназ. Пиридоксальфосфат синтезируется из пиридоксаля и АТФ.

Фосфорилирование пиридоксаминофосфата протекает ана-логичным образом при участии фермента пиридоксаминокина-зы. Пиридоксальфосфат и пиридоксаминофосфат способнык взаимопревращению. Фосфорилированные производные ви-тамина В6 входят в состав пиридоксалевых ферментов, катали-зирующих ключевые реакции азотистого обмена у всех живыхорганизмов. Пиридоксальфосфат является простетическойгруппой аминотрансфераз (катализируют обратимый переносаминогрупп от аминокислот на α-кетокислоту) и декарбоксилазаминокислот (осуществляют необратимое отщепление СО2 откарбоксильной группы аминокислот, образуя биогенные ами-ны). Пиридоксальфосфат в качестве кофермента участвуетв ферментативных реакциях неокислительного дезаминирова-ния серина и треонина, окисления триптофана, кинуренина,превращения серосодержащих аминокислот, взаимопревраще-ния серина и глицина, синтеза δ-аминолевулиновой кислоты(предшественника гема гемоглобина) и др.

Недостаточность витамина В6 у людей проявляется в видепеллагроподобных дерматитов.

У детей грудного возраста вследствие недостаточного содер-жания пиридоксина в искусственной пище возможно развитиедерматитов и поражение нервной системы (вплоть до развития

135

пиридоксин пиридоксаль пиридоксамин

эпилептиформных припадков). Недостаточность пиридоксинаможет наблюдаться у больных туберкулезом, получающих с ле-чебной целью изониазид (изоникотилгидразид), являющийся ан-тагонистом витамина В6. Для человека основными источникамивитамина В6 являются хлеб, горох, фасоль, картофель, мясо,почки, печень и др. В некоторых продуктах животного проис-хождения пиридоксин связан с белком, но легко освобождаетсяот него под действием ферментов пищеварительного тракта.

Микрофлора кишечника синтезирует витамин В6 в количест-вах, частично покрывающих потребности организма в нем.

5. Витамин B12

Витамин В12 (кобаламин) имеет следующую структуру.

136

Витамин В12 (кобаламин)

Витамин В12 является единственным витамином, содержа-щим в своей структуре металл. Центральный атом кобальта со-единен с четыремя атомами азота восстановленных пирроль-ных колец, образующих корриновое ядро, представляющеесобой плоскостную структуру. Перпендикулярно к ней распо-ложен нуклеотидный лиганд, состоящий из 5,6-диметилбензи-мидазола и рибозы с остатком фосфорной кислоты у С-3.

Витамин В12 содержится в ферментных системах в виде В12-ко-ферментов, или кобамидных коферментов, — метилкобаламина(содержит дополнительную метильную группу) и дезоксиадено-зинкобаламина (содержит 5'-дезоксиаденозинкобаламин). Вита-мин В12 превращается в кобамидные коферменты при участии специ-фических ферментов в присутствии в качестве кофакторов ФАД,восстановленного НАД, АТФ и глутатиона. В соответствии с хи-мической природой кобамидных коферментов химические реак-ции, в которых они принимают участие, делятся на две группы:

1) реакции трансметилирования (метилкобаламин играет рольпромежуточного переносчика метильной группы) — реакциисинтеза метионина и ацетата. Синтез метионина требует нали-чия гомоцистеина, N5-метилтетрагидрофолиевой кислотыи восстановленного ФАД. Метилкобаламин входит в составфермента татрагидроптероилглутамат-метилтрансферазы;2) реакции внутримолекулярного переноса водорода в реак-циях изомеризации. В этих реакциях водород от субстратапереносится на 5-дезоксикобаламин, а затем обратно на суб-страт, меняя свое местоположение.Недостаток витамина В12 у человека и животных приводит

к развитию злокачественной макроцитарной или мегалобласти-ческой анемии. Для авитаминоза В12 также характерны наруше-ния деятельности нервной системы и резкое снижение кислот-ности желудочного сока. Обязательным условием дляактивного всасывания витамина В12 в тонком кишечнике явля-ется наличие в желудочном соке особого белка — гастромуко-протеина — внутреннего фактора Касла. Этот белок обладаетспособностью специфически связывать витамин В12 в особыйсложный комплекс, который поступает в клетки слизистой обо-лочки подвздошной кишки, откуда витамин В12 переходитв кровь портальной системы, а внутренний фактор подвергает-ся гидролизу. Витамин В12 поступает в кровь портальной систе-

137

мы в комплексе с двумя белками — транскобаламинами I и II,причем транскобаламин I выполняет функцию депо В12 за счетпрочного связывания с ним. Нарушение синтеза внутреннегофактора в слизистой оболочке приводит к развитию авитамино-за В12 даже при достаточном количестве витамина, поступаю-щего с пищей. В клинике витамин В12 используется для леченияпернициозной анемии, а также мегалобластических анемий с невро-логическими нарушениями. Синтез витамина В12 осуществляетсяисключительно микроорганизмами. Для человека основными источ-никами витамина В12 являются мясо, говяжья печень, почки, рыба,молоко, яйца. Основное депо витамина В12 в организме человека —печень, содержащая до нескольких миллиграммов этого витамина.

6. Фолиевая кислота

Фолиевая кислота (фолацин, витамин Вс) состоит из трехструктурных единиц — остатка 2-амино-4-окси-6-метилптери-дина, парааминобензойной и L-глутаминовой кислот.

Фолиевая кислота плохо растворима в воде, однако хорошорастворима в разбавленных растворах спирта. Она обладает ха-рактерными спектрами поглощения в УФ области спектра.

Функции фолиевой кислоты как кофермента связаны с ее вос-становленным птеридиновым производным — тетрагидрофолие-вой кислотой (ТГФК).

Восстановление фолиевой кислоты сводится к разрыву двухдвойных связей и присоединению четырех водородных атомовв положениях 5, 6, 7 и 8. В животных тканях оно протекает в 2 ста-дии при участии специфических ферментов, содержащих восста-новленный НАДФ. На первой стадии под действием фолатредук-тазы образуется дигидрофолиевая кислота (ДГФК), которая вовторую стадию под действием дигидрофолатредуктазы восстанав-ливается в ТГФК.

138

Фолиевая (птероилгутаминовая)кислота

Коферментные функции ТГФК связаны с переносом одноугле-родных групп — формильной (–СHO), метильной (–CH3), метилено-вой (–CH2–), метенильной (–CH2=), оксиметильной (–H2OH), и фори-миновой (–CH=NH). Первичными источниками их в организмеявляются β-углеродный атом серина, α-углеродный атом глицина,углерод метильных групп метионина и холина, второй углеродныйатом индольного кольца триптофана, второй углеродный атом имида-зольного кольца гистидина, а также формальдегид, муравьиная кис-лота и метанол. Связывание этих фрагментов с ТГФК является ферментативной реакцией, заключающейся в их ковалентном связы-вании с пятым или десятым атомом азота или обоими атомамивместе.

Производные ТГФК принимают участие в переносе одноугле-родых фрагментов при биосинтезе метионина и тимина (в переносеметильной группы), серина (в переносе оксиметильной группы),образовании пуриновых нуклеотидов (в переносе формильнойгруппы) и др. Эти вещества играют ключевую роль в синтезе бел-ков и нуклеиновых кислот. Синтетические аналоги (антагонисты)фолиевой кислоты используются в медицинской практике в качест-ве препаратов, тормозящих синтез нуклеиновых кислот, и исполь-зуются в комплексной терапии опухолевых поражений.

Авитаминоз фолиевой кислоты наблюдается при подавлениив кишечнике роста микроорганизмов, синтезирующих ее (при мас-сивной антибиотикотерапии), наряду с отсутствием ее в рационе.

Наблюдается клиническая картина макроцитарной анемии,сходная с проявлениями пернициозной анемии. Возможно раз-витие диареи.

Источниками фолиевой кислоты являются зеленые листьярастений и дрожжи. Фолиевая кислота содержится также в пе-чени, почках и мясе. Микроорганизмы кишечника здоровогочеловека синтезируют фолиевую кислоту в количествах, доста-точных для удовлетворения потребностей организма в ней.

139

7. Витамин PP

Витамин PP (никотиновая кислота, никотинамид, ниацин) назы-вается также антипеллагрическим витамином (от ит. preventive pel-lagra — «предотвращающий пеллагру»), поскольку его отсутствиевызывает заболевание — пеллагру. По своей химической структу-ре никотиновая кислота представляет собой соединение пиридино-вого ряда, содержащее карбоксильную группу. Никотинамид отли-чается от никотиновой кислоты наличием амидной группы.

Витамин PP плохо растворяется в воде (примерно на 1%), нохорошо растворим в водных растворах щелочей. Никотиноваякислота способна к кристаллообразованию в виде белых игл.

Витамин PP входит в состав никотинамидадениндинуклеотида(НАД) и никотинамидадениндинуклеотидфосфата (ФАД), которыеявляются коферментами большого числа дегидрогеназ, участвую-щих в окислительно-восстановительных реакциях. Некоторые де-гидрогеназы могут использовать только НАД или НАДФ (малатде-гидрогеназа и глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа соответственно),другие (глутаматдегидрогеназа) могут катализировать окислитель-но-восстановительные реакции в присутствии любого из них. НАДи НАДФ в процессе биологического окисления играют роль проме-жуточных переносчиков протонов и электронов между окисляе-мым субстратом и флавиновыми ферментами.

При недостаточности витамина PP развивается пеллагра (отит. pelle agra — «шершавая кожа»), проявляющаяся в виде синд-рома «трех Д» как то поражения кожи (дерматиты), пищевари-тельного тракта (диарея) и нарушение нервной деятельности(деменция). Дерматиты обычно поражают участки кожи, под-вергающиеся воздействию солнечных лучей (тыльную поверх-ность кистей рук, шею, лицо), кожа становится красной, затемкоричневой и шершавой; поражение кожи чаще всего симмет-ричное. Нарушение деятельности пищеварительной системыпроявляется в виде анорексии, тошноты, болей в области живо-

140

никотиновая кислота никотинамид

та и диареи. Диарея приводит к обезвоживанию организма; раз-вивается воспаление, а в дальнейшем и изъязвление слизистойоболочки толстой кишки. Для пеллагры характерны специфич-ные стоматиты, гингивиты, глосситы со вздутием и трещинамиязыка. Поражение центральной нервной системы при пеллагрепроявляется головными болями, головокружением, повышен-ной раздражимостью, депрессией; возможно развитие психо-зов, психоневрозов и появление галлюцинаций.

Особенно резко выражены симптомы пеллагры у больныхс недостаточным белковым питанием, что объясняется недостат-ком триптофана (он является предшественником никотинамида,частично синтезируемого в организме человека) и ряда других ви-таминов. Витамин PP широко распространен в растительныхи животных организмах. Основными его источниками для челове-ка являются рис, хлеб, картофель, мясо, печень, почки и морковь.

8. Биотин (витамин H)

Витамин H (биотин, коэнзим R) был впервые выделен в 1935 г.из яичного желтка. Его молекула является циклическим производ-ным мочевины, боковая цепь представлена валериановой кислотой.

Карбонильная группа биотина при связывании амидной свя-зью с ε-аминогруппой лизина образует ε-N-биотиниллизин (био-цитин), обладающий биологической активностью. Сложные при-родные белки, содержащие биотин, при попадании в организмподвергаются гидролизу. Образовавшийся при этом свободныйбиоцитин под действием биоцитиназы печени и сыворотки кровигидролизуется с образованием биотина и лизина. Биотиновыеферменты (ферменты, содержащие в качестве кофермента био-тин) катализируют реакции двух типов.

1. Реакции карбоксилирования (с участием CO2 или HCO3– ),

протекающие с распадом АТФ. К реакциям этого типа относятся

141

биотин

ацетил-КоА- и пируваткарбоксилазные реакции. Сущность реак-ции карбоксилирования пировиноградной кислоты сводитсяк пополнению запасов щавелево-уксусной кислоты в лимонно-кислом цикле — синтезе ее из пировиноградной кислоты и CO2.

На первой стадии реакции СО2 подвергается активированию(ковалентному связыванию с биотином) в активном центрефермента. Эта стадия протекает с затратой энергии АТФ. На второй стадии реакции СО2 из комплекса с биотином перено-сится на пировиноградную кислоту с образованием щавелево-уксусной кислоты и освобождением фермента.

2. Реакции транскарбоксилирования, при которых субстратыобмениваются карбоксильной группой без участия АТФ. К этомутипу реакций относится метилмалонил-оксалоацетат-транскарбок-силазная реакция, катализирующая обратимое превращение пиро-виноградной и щавелево-уксусной кислот.

Реакции карбоксилирования и транскарбоксилирования играютважную роль при синтезе высших жирных кислот, белков, пурино-вых нуклеотидов и др.

Клинические проявления недостаточности витамина H у че-ловека возникают редко, поскольку бактерии кишечника спо-собны синтезировать биотин в необходимых количествах. Од-нако при приеме большого количества сырого яичного белка,содержащего гликопротеин авидин, образуется нерастворимыйв воде комплекс биотина с авидином, и биотин не всасываетсяв кишечнике, что ведет к его авитаминозу. Массивная антибио-тикотерапия способна подавить рост кишечных бактерий и так-же вызвать авитаминоз витамина Н. При недостаточности вита-мина Н развиваются воспалительные процессы в коже (дерматиты),сопровождающиеся усиленной деятельностью сальных желез, выпа-дением волос и поражением ногтей.

Возможно развитие мышечной гипотонии, усталости, сонливо-сти, депрессии, анорексии и анемии.

Биотин в связанной форме содержится почти во всех про-дуктах животного и растительного происхождения. Особеннобогаты им печень, почки, молоко, яичный желток.

В растительных продуктах (картофеле, луке, томате, шпи-нате) биотин содержится в связанном и свободном состоянии. Ки-шечная микрофлора способна синтезировать биотин в необходи-мых человеку количествах.

142

9. Витамин C и витамин P

Витамин С (аскорбиновая кислота) также называется ан-тискорбутным (антицинготным) фактором, т. е. предохраняетот развития цинги. По своей химической структуре аскорбино-вая кислота представляет собой лактон кислоты со структурой,близкой к L-глюкозе.

Кислотный характер аскорбиновой кислоты обусловлен нали-чием двух обратимо диссоциирующих енольных гидроксилову С-2 и С-3.

Аскорбиновая кислота содержит два асимметричных углерод-ных атома (С-4 и С-5), что позволяет ей образовать четыре опти-ческих изомера.

Природные изомеры с витаминной активностью относятсяк L-ряду.

Аскорбиновая кислота хорошо растворима в воде, умереннорастворима в этаноле и почти нерастворима в других органиче-ских растворителях.

Аскорбиновая кислота способна обратимо окисляться в де-гидроаскорбиновую кислоту, образуя окислительно-восстанови-тельную систему, связанную с отщеплением и присоединениемпротонов и электронов.

В слабощелочной (или нейтральной) среде происходит гидро-лиз лактонового кольца дегидроаскорбиновой кислоты с образо-ванием лишенной биологической активности дикетогулоновойкислоты.

143

144

Поэтому при кулинарной обработке продуктов питания в при-сутствии окислителей часть витамина С разрушается.

Витамин С участвует в окислительно-восстановительныхпроцессах, реакциях гидроксилирования пролина и лизина присинтезе коллагена, синтезе гормонов коры надпочечникови триптофана.

Аскорбиновая кислота необходима для окислительного рас-пада тирозина и гемоглобина в тканях.

При недостаточности витамина С у человека отмечаются сни-жение массы тела, общая слабость, одышка, боли в сердце, сердце-биение.

В первую очередь поражается кровеносная система: сосудыстановятся хрупкими и легкопроницаемыми, что приводит к мно-жественным кровоизлияниям и кровотечениям во внутренних ор-ганах, коже и слизистых оболочках.

Наблюдаются кровоточивость десен, расшатывание, разламы-вание и выпадение зубов, а также отеки нижних конечностей и бо-ли при ходьбе.

Наиболее важными источниками витамина С являются про-дукты растительного происхождения (шиповник, черная сморо-дина, перец, салат, зеленый лук, капуста, хрен, ягоды рябины,цитрусовые и др.).

Витамин P (рутин, цитрин, витамин проницаемости) —группа веществ со сходной биологической активностью: катехи-ны, халконы, дигидрохалконы, флавины, флавононы, изофлавоны,флавонолы и др.

В основе их структуры лежит дифенилпропановая углероднаяоснова хромона или флавона.

Биофлавоноиды стабилизируют основное вещество соеди-нительной ткани за счет ингибирования гиалуронидазы. Вита-

рутин

мины С и Р образуют единую систему в окислительно-восста-новительных системах организма.

При недостаточности биофлавоноидов повышается прони-цаемость кровеносных сосудов, сопровождающаяся кровоиз-лияниями и кровотечениями.

Также отмечаются общая слабость, быстрая утомляемостьи боли в конечностях.

Основными источниками витамина Р являются те же расти-тельные продукты, которые содержат много витамина С.

ЛЕКЦИЯ № 28. Витаминоподобные вещества

1. Парааминобензойная кислота, витамин B15,инозит, коэнзим Q

Парааминобензойная кислота имеет следующую структуру.

Парааминобензойная кислота представляет собой кристаллы,плохо растворимые в воде и хорошо растворимые в спирте и эфире.При кипячении в кислой и щелочной среде или при автоклавирова-нии не разрушается. Витаминные свойства ее определяются тем, чтоона входит в состав молекулы фолиевой кислоты. Парааминобензой-ная кислота необходима для нормального процесса пигментации во-лос, шерсти, перьев и кожи, так как она активирует тирозиназу —ключевой фермент при биосинтезе меланинов кожи. В медицинеструктурные аналоги парааминобензойной кислоты — сульфанила-миды — используются в качестве антибактериальных средств.Источниками парааминобензойной кислоты для человека являютсямясо, печень, почки, дрожжи. В умеренном количестве она содержит-ся в молоке, куриных яйцах, картофеле, хлебе, шпинате и моркови.

Витамин В15 (пангамовая кислота) с химической точки зре-ния представлена эфиром глюконовой кислоты и диметилглицина.

Предположительно пангамовая кислота участвует в биосинте-зе холина, метионина и креатинина в качестве источника метиль-

146

пангамовая кислота

ных групп. Препараты пангамовой кислоты дают хороший лечеб-ный эффект при жировом перерождении печени и некоторых фор-мах гипоксии. Пангамовая кислота содержится в печени, семенахрастений и дрожжах. Суточная потребность в ней не установлена.

Инозит (инозитол) представляет собой циклический шести-атомный спирт циклогексана.

Инозитол обнаружен в составе фосфоглицеролов, являетсякомпонентом фосфатидилинозитола. Биологическая роль егосвязана с обменом фосфоглицеролов и образованием вторично-го мессенджера внутриклеточных сигналов (инозитол-1, 4, 5-трифосфата). Инозитол оказывает значительный липотропныйэффект и тормозит развитие дистрофии печени. У животныхпри отсутствии этого фактора в пище наблюдались остановкароста, своеобразная потеря шерстяного покрова и жировая ин-фильтрация печени с отложением холестерина. Много инозито-ла содержится в печени, мясе, молоке, хлебе из муки грубогопомола, овощах и фруктах.

Коэнзим Q (убихинон) относится к чрезвычайно широкораспространенным коферментам. По химической структуре онпредставляет собой 2,3-диметокси-5-метил-1,4-бензохинонс изопреновой цепью в положении 6.

Число остатков изопрена в боковой цепи убихинона варьиру-ет от 6 до 10 (KoQ6, KoQ7 и т. д.). Убихинон нерастворим в воде.

147

инозит

убихинон

КоQ является обязательным компонентом дыхательной цепи,осуществляя в митохондриях перенос злектронов от мембранныхдегидрогеназ (НАД — Н-дегидрогеназы, CLU и др.) на цитохро-мы. В организме человека убихинон может синтезироваться измевалоновой кислоты и продуктов обмена фенилаланина и тиро-зина, поэтому не может быть отнесен к классическим витаминам.Препараты КоQ эффективны при лечении анемии у детей, нахо-дящихся на малобелковой диете, мышечной дистрофии (в том чис-ле генетической формы) и сердечной недостаточности.

2. Пирролохинолинохинон, витамин U, липоевая кислота, холин

Пирролохинолинохинон (PQQ) — витаминоподобный кофак-тор, содержащийся в белках относительно нового класса — хино-протеинах (PQQ-ферментах). Он имеет следующую структуру.

PQQ в качестве кофермента входит в состав бактериальныхферментов метанолдегидрогеназы и алкогольдегидрогеназы,Животные и растительные хинопротеины, содержащие PQQв качестве кофермента, входят в состав оксидаз и декарбокси-лаз (аминооксидаз, диаминооксидаз, монооксигеназ, диоксиге-наз). Некоторые декарбоксилазы аминокислот (глутаматдекар-боксилаза и ДОФА-декарбоксилаза) предположительно имеютв своем составе два кофермента — пиридоксальфосфат и PQQ.

Механизм действия PQQ-дегидрогеназ и оксидаз аналогиченфлавопротеинам, катализирующим перенос двух электронов и про-тонов на убихинон. PQQ-декарбоксилазы по механизму действияаналогичны пиридоксалевым ферментам, поскольку также содер-жат карбонильную группу. Предполагается, что коферментом яв-ляется не свободный PQQ, а его предшественник — Pro-PQQ (со-

148

пирролохинолинохинон (PQQ)

держит остатки PQQ, индола и глутаминовой кислоты), ковалент-но связанный с белковой молекулой.

Витамин U (S-метилмалонин, противоязвенный фактор)был впервые обнаружен в 1950 г. в сырых овощах, парном мо-локе и печени. Он имеет следующую структуру.

Витамин U хорошо растворим в воде, легко разрушается притемпературе 100 °С (особенно в нейтральной и щелочной среде),устойчив в кислой среде. У крыс витамин U полностью заменяетпотребность в метионине как незаменимой аминокислоте. Онучаствует в синтезе метионина, холина и креатина, используетсябактериями в качестве донатора метильных групп. При недоста-точности витамина U повышается риск развития язвы желудка.Источниками витамина U для человека являются свежая капуста,зелень петрушки, репа, морковь, лук, перец и др.

Липоевая кислота по своей структуре представляет α-ли-поевую (1,2-дитиолан-3-валериановую) кислоту:

Коферментные функции липоевой кислоты реализуются засчет того, что она может существовать в окисленной и восстанов-ленной формах. Липоевая кислота играет важную роль в окисле-нии и переносе ацильных групп в составе многокомпонентныхферментных систем.

Основная ее функция — прямое участие в окислительном де-карбоксилировании в тканях α-кетокислот (пировиноградной и α-кетоглутаровой). Наряду с ТПФ и КоА липоевая кислота слу-жит простетической группой в пируват- и кетоглутаратдегидроге-назной системах.

149

метилметионинсульфония хлорид(витамин U)

липоевая кислота дигидролипоевая кислота

Холин по своей структуре представляет аминоэтиловыйспирт, содержащий три метильные группы у атома азота.

Холин хорошо растворим в воде и спирте. В организме жи-вотных холин синтезируется в составе фосфолипидов. Донора-ми метильных групп являются метионин, серин или глицин.Холин является составной частью ацетилхолина — медиаторанервного импульса. Он также принимает участие в реакцияхтрансметилирования при синтезе метионина, пуриновых и пи-римидиновых нуклеотидов, фосфолипидов и др. Симптомы хо-линовой недостаточности обычно развиваются при дефицитебелка в диете — жировая инфильтрация печени, геморрагиче-ская дистрофия почек, нарушение процесса свертывания крови.

Основными источниками холина для человека являются пе-чень, почки, мясо, рыбные продукты и капуста.

холин

ЛЕКЦИЯ № 29. Общее понятие о гормонах, их номенклатура и классификация, гормоны гипоталамуса

1. Общее понятие о гормонах, их номенклатура и классификация

Учение о гормонах выделено в самостоятельную науку — эндо-кринологию. Гормоны — биологически активные вещества орга-нической природы, вырабатывающиеся в специальных клеткахжелез внутренней секреции, поступающие в кровь и оказываю-щие регулирующее действие на физиологические функции и об-мен веществ. Гормоны определяют состояние физиологическихфункций целостного организма, макро- и микроструктуру орга-нов и тканей, а также скорость биохимических процессов.

Гормоны занимают в последовательности протекания реакцийорганизма промежуточное место между нервной системой и дей-ствием ферментов. Гормоны могут вызывать быструю ответнуюреакцию организма путем увеличения активности уже существую-щих в тканях ферментов (гормоны пептидной и белковой приро-ды) либо медленную ответную реакцию путем интенсификациисинтеза ферментов (стероидные гормоны). Стероидные гормоныоказывают опосредованное через генетический аппарат клеткидействие на биосинтез белка. Для биологического действия гор-монов характерен ряд особенностей.

1. Гормоны проявляют свое биологическое действие в нич-тожно малых количествах.

2. Эффект от действия гормонов реализуется через клеточ-ные рецепторы и внутриклеточные вторичные посредники(мессенджеры).

3. Гормоны осуществляют свое действие путем увеличенияскорости синтеза ферментов либо путем изменения скоростиферментативного катализа.

4. В целостном организме действие гормонов контролирует-ся влиянием ЦНС.

151

5. Железы внутренней секреции связаны с продуцируемымиими гормонами механизмами прямой и обратной связи.

Под влиянием различных раздражителей возникают импульсыв специализированных рецепторах, направляющиеся в ЦНС. В гипо-таламусе в ответ на получение импульсов синтезируются биологи-чески активные гормональные вещества — рилизинг-факторы,которые через портальную систему сосудов достигают гормо-носинтезирующих клеток гипофиза, изменяя их активность и соот-ветственно стимулирую или тормозя синтез тропных гормоновгипофиза. Тропные гормоны с током крови поступают к эндо-кринным железам и способствуют выработке необходимых гормо-нов. Гормоны оказывают действие на специализированные органыи ткани (органы-мишени), вызывая ответные реакции на действиераздражителей. Различают три группы истинных гормонов.

1. Пептидные и белковые гормоны состоят из 3-250 аминокис-лотных остатков. К ним относятся гормоны гипоталамуса и ги-пофиза (тиролиберин, соматолиберин, соматостатин, гормонроста, кортикотропин, тиреотропин, гонадотропины и др.)и гормоны поджелудочной железы (инсулин и глюкагон).

2. Гормоны — производные аминокислот — в основномпредставлены производными тирозина (как то адреналин, но-радреналин, гормоны щитовидной железы).

3. Стероидные гормоны (кортикостероиды, половые гормо-ны, гормональная форма витамина D).

Эйкозаноиды — производные арахидоновой кислоты (проста-гландины, лейкотриены и тромбоксаны) — нестабильные соеди-нения, оказывающие действие на клетки вблизи от своего местасинтеза.

2. Гормоны гипоталамуса

Гипоталамус является местом сопряжения высших отделовЦНС и эндокринной системы. В нейронах гипоталамуса образу-ются вещества, регулирующие освобождение гормонов гипофи-за — рилизинг-факторы (от англ. release — «освобождать»), илилиберины, и ингибирующие факторы, или статины. Либериныи статины достигают гипофиза по системе портальных капилля-ров. Существует семь либеринов (кортиколиберин, тиролиберин,люлиберин, фоллилиберин, соматолиберин, пролактолиберин

152

и меланолиберин) и три статина (соматостатин, пролактостатини меланостатин). По химическому строению все гормоны гипо-таламуса являются низкомолекулярными пептидами.

Тиролиберин представляет собой трипептид, состоящий изпироглутаминовой (циклической) кислоты, гистидина и пролина-мида. В отличие от классических пептидов он не содержит свобод-ных NH2- и СООН-групп у концевых аминокислот.

Тиролиберин оказывает стимулирующее влияние на высво-бождение тиреотропного гормона гипофиза.

Гонадолиберин представляет собой декапептид, состоящийиз 10 остатков аминокислот следующей последовательности:Пиро—Глу—Гис—Трп—Сер—Тир—Гли—Лей—Арг—Про—Гли—NH2 С-концевая аминокислота представлена глицина-мидом.

Гонадолиберин способствует высвобождению гонадотроп-ных гормонов аденогипофиза.

Соматостатин представляет собой циклический тетрадека-пептид, состоящий из 14 аминокислотных остатков.

Соматостатин синтезируется в гипоталамусе, нейронахцентральной и периферической нервной системы, S-клетках ост-ровков Лангерганса поджелудочной железы и клетках кишеч-ника.

Он оказывает ингибирующее действие на синтез гормона рос-та в аденогипофизе и биосинтез инсулина и глюкагона в остров-ковых клетках поджелудочной железы.

Соматолиберин состоит из 44 аминокислотных остатков.Биологической активностью соматолиберина наделен также хи-мически синтезированный декапептид следующей последова-тельности: Н—Вал—Гис—Лей—Сер—Ала—Глу—Глн—Лиз—Глу—Ала—ОН. Соматолиберин стимулирует синтез и секрециюсоматотропного гормона гипофиза.

153

тиролиберин

Меланолиберин представляет собой гексапептид следующе-го строения: Н—Цис—Тир—Иле—Глн—Асн—Цис—ОН.

Меланостатин (меланотропинингибирующий фактор)может быть представлен либо трипептидом Пиро—Глу—Лей—Гли—NH2, либо пентапептидом следующей последова-тельности: Пиро—Глу—Гис—Фен—Арг—Гли—NH2.

Меланолиберин оказывает стимулирующее, а меланоста-тин — ингибирующее действие на синез и секрецию мелано-тропина в аденогипофизе.

Местом синтеза гормонов гипоталамуса являются нервныеокончания — синаптосомы гипоталамуса. Гипоталамическиегормоны непосредственно влияют на освобождение уже синте-зированных гормонов и биосинтез гормонов de novo. В переда-че гормонального сигнала участвуют специфические адено-гипофизарные рецепторы и цАМФ.

ЛЕКЦИЯ № 30. Гормоны гипофиза

1. Классификация гормонов гипофиза. Вазопрессин и окситоцин

В гипофизе синтезируются гормоны белковой и пептиднойприроды, которые оказывают стимулирующий эффект на фи-зиологические и биохимические процессы в органах-мишенях.В зависимости от локализации синтеза различают гормоны пе-редней, задней и промежуточной долей гипофиза. В переднейдоле гипофиза (аденогипофизе) синтезируются гормоны, обла-дающие стимулирующим действием на другие эндокринныежелезы — тропные гормоны, или тропины.

Таблица 4Основные клинические синдромы,

развивающиеся при нарушении секреции гормонов гипофиза

155

ГормонКлинические синдро-мы при избытке гор-

мона

Клинические синдро-мы при недостатке

гормона

Гормоны передней доли гипофиза

Гормон ростаАкромегалия (чрез-

мерный рост)

Гипофизарный на-низм, или карлико-

вость (низкорослость)

Кортикотропин(АКТГ)

Синдром Иценко—Кушинга

Вторичная гипофунк-ция коры надпочечни-

ков

Тиротропин ГипертиреозВторичный гипоти-

реоз

ПролактинАменорея, бесплодие,

галактореяОтсутствие лактации

Окончание табл. 4

Вазопрессин и окситоцин синтезируются в рибосомах.В гипоталамусе синтезируются белки нейрофизин I, II и III,способные связывать вазопрессин и окситоцин и транспорти-ровать их в нейросекреторные гранулы гипоталамуса.

Из гранул гипоталамуса комплексы «нейрофизин — гормон»мигрируют вдоль аксона и достигают задней доли гипофиза, гдеформируют резерв гормонов.

При диссоциации комплекса свободный гормон секретируетсяв кровь.

По химическому строению вазопрессин и окситоцин пред-ставляют собой нонапептиды следующего строения:

Основной биологический эффект окситоцина у млекопитаю-щих состоит в стимуляции сокращения гладких мышц маткипри родах и циркулярных параальвеолярных мышечных воло-

156

ГормонКлинические синдро-мы при избытке гор-

мона

Клинические синдро-мы при недостатке

гормона

Фолликулостимули-рующий гормон (фол-

литропин)

Преждевременное по-ловое созревание

Вторичная гипофунк-ция половых желез,

бесплодие

Лютеинизирующийгормон (лютропин)

То же То же

Гормоны задней доли гипофиза

Вазопрессин — Несахарный диабет

Окситоцин — —

окситоцин

вазопрессин

кон молочных желез, сокращение которых вызывает выделениемолока. Действие вазопрессина проявляется стимуляцией со-кращения гладких мышечных волокон сосудов, что приводитк значительному повышению артериального давления.

Основная роль вазопрессина в организме сводится к регуля-ции водного обмена, поэтому его еще называют антидиуретиче-ским гормоном.

В небольших количествах (0,1 нг на кг массы тела) вазо-прессин оказывает мощное антидиуретическое действие путемстимуляции обратного тока воды через мембраны почечных ка-нальцев.

Антидиуретический гормон в норме контролирует осмоти-ческое давление плазмы крови и водный баланс человеческогоорганизма.

При патологии (атрофии задней доли гипофиза) развиваетсянесахарный диабет (несахарное мочеизнурение) — заболевание,характеризующееся выделением очень больших количеств жид-кости с мочой за счет нарушения процесса обратного всасыванияводы в канальцах почек (табл. 4).

Гормональные эффекты нейрогипофизарных гормонов реали-зуются в основном через аденилатциклазную мессенджерную систему.

2. Соматотропин, кортикотропин и меланотропины

Соматотропный гормон (СТГ, гормон роста, соматотро-пин) синтезируется в ацидофильных клетках передней доли гипо-физа. Концентрация его в гипофизе в 1000 раз превышает концент-рацию других гормонов и составляет 5—15 мг на 1 г ткани. СТГчеловека состоит из 191 аминокислоты и содержит две дисуль-фидные связи.

Его концевые аминокислоты представлены фенилаланином.СТГ определяет интенсивность биологического обмена белков,липидов, углеводов и минеральных веществ во всех клетках ор-ганизма.

Под действием СТГ усиливаются синтез белка, ДНК, РНКи гликогена, мобилизация жиров из депо и распад высших жир-ных кислот и глюкозы в тканях.

157

Процессы ассимиляции, активирующиеся СТГ, сопровожда-ются увеличением размеров тела и ростом скелета. СТГ такжекоординирует и регулирует скорость протекания обменныхпроцессов.

У человека и приматов СТГ обладает лактогенной активно-стью.

Многие биологические эффекты соматотропного гормонареализуются через особый белковый фактор — соматомедин(медиатор действия СТГ в организме).

При гипофизизарной карликовости (пангипопитуитариз-ме) отмечается пропорциональное развитие всех частей тела,существенных отклонений в развитии психики не наблюда-ется.

Гиперпродукция СТГ у взрослых приводит к развитию акро-мегалии (от гр. acros — «конечность», megas — «большой»),при которой идут непропорционально интенсивный рост от-дельных частей тела (рук, ног, подбородка, надбровных дуг, но-са, языка) и разрастание внутренних органов.

Кортикотропин (адренокортикотропный гормон, АКТГ)вырабатывается базофильными клетками аденогипофиза. Ос-новное его действие — стимуляция синтеза и секреции гормо-нов коры надпочечников, дополнительное — жиромобилизую-щее и меланостимулирующее.

Молекула АКТГ у всех видов животных состоит из 39 аминокис-лотных остатков: Н—Сер—Тир—Сер—Мет—Глу—Гис—Фен—Арг—Трп—Гли—Лиз—Про—Вал—Гли—Лиз—Лиз—Арг—Арг—Про—Вал—Лиз—Вал—Тир—Про—Асп—Ала—Гли—Глу—Асп—Глн—Сер—Ала—Глу—Ала—Фен—Про—Лей—Глу—Фен — ОН.

В молекуле АКТГ предполагается наличие двух активныхучастков пептидной цепи, один из которых отвечает за связы-вание с соответствующим рецептором, а другой — за гормо-нальный эффект.

Действие АКТГ на синтез стероидных гормонов реали-зуется посредством аденилатциклазной мессенджерной системы.

Меланотропины (меланоцитстимулирующие гормоны,МСГ) вырабатываются промежуточной долей гипофиза. Существует два типа гормона — α- и β-МСГ.

158

α-МСГ состоит из 13 аминокислотных остатков, расположен-ных в следующей последовательности: CH3—CO—NH—Сер—Тир—Сер—Мет—Глу—Гис—Фен—Арг—Трп—Гли—Лиз—Про—Вал—CO—NH2.

Молекула β-МСГ состоит из 22 аминокислотных остатков, расположенных в следующей последовательности: Н—Ала—Глу—Лиз—Лиз—Асп—Глу—Гли—Про—Тир—Арг—Мет—Глу—Гис—Фен—Арг—Трп—Гли—Сер—Про—Лиз—Асп— ОН.

Функция меланотропинов состоит в стимулировании мелано-генеза у млекопитающих и увеличении количества меланоцитов(пигментных клеток) в кожных покровах у земноводных.

МСГ у животных также влияет на окраску меха и секретор-ную активность сальных желез.

3. Пролактин, тиротропин, гонадотропины и липотропины

Пролактин (лактотропный гормон, лютеотропный гор-мон) представляет собой крупный белок, состоящий из однойполипептидной цепи с тремя дисульфидными связями, насчиты-вающей 199 аминокислотных остатков.

Основное его действие состоит в стимуляции развития молоч-ных желез и лактации.

Кроме того, пролактин стимулирует рост внутренних орга-нов, секрецию желтого тела, оказывает ренотропное, эритропоэ-тическое и гипергликемическое действие.

Уровень пролактина в крови у женщин резко повышается пе-ред родами (до 0,2 нг/л против 0,01 нг/л в норме). При гиперсек-реции пролактина наблюдаются прекращение менструаций (аме-норея) и увеличение молочных желез у женщин и импотенцияу мужчин.

Тиротропин (тиреотропный гормон, ТТГ) по своей химиче-ской структуре является сложным гликопротеином и содержит подве α- и β-субъединицы, не обладающие по отдельности биологи-ческой активностью.

Молекулярная масса тиротропина около 30 000. Функция ти-ротропина состоит в контролировании развития и функции щито-видной железы, а также регуляции биосинтеза и секреции в кровьтиреоидных гормонов.

159

α-субъединица тиротропина состоит из 96 аминокислотныхостатков, β-субъединица — из 112.

Специфические и иммунологические свойства тиротропинаобъясняются наличием именно α-субъединицы в комплексе с β-субъ-единицей.

Действие тиротропина осуществляется посредством связываниясо специфическими мембранными рецепторами и активации адени-латциклазной мессенджерной системы.

Гонадотропные гормоны (гонадотропины) представленыфолликулостимулирующим гормоном (ФСГ, фоллитропином)и лютеинизирующим гормоном (ЛГ, лютропином, гормоном, сти-мулирующим интерстициальные клетки).

Эти гормоны синтезируются в передней доле гипофиза и посвоей химической структуре являются сложными белками (глико-протеинами) с молекулярной массой 25 000.

Лютропин состоит из двух α- и β-субъединиц, лишенных био-логической активности по отдельности.

Гонадотропины регулируют стероидо- и гаметогенез в поло-вых железах.

Фоллитропин стимулирует созревание фолликулов в яични-ках у самок и сперматогенез у самцов.

Лютропин у самок стимулирует секрецию эстрогенов и про-гестерона, а также разрыв фолликула с образованием желтоготела.

У самцов лютропин стимулирует секрецию тестостеронаи развитие интерстициальной ткани. Биосинтез гонадотропиновнаходится под контролем гипоталамического гормона гонадоли-берина.

Липотропины (липотропные гормоны, ЛТГ) вырабатыва-ются в передней доле гипофиза.

Спектр их биологического действия включает жиромобили-зующий эффект, кортикотропную, меланоцитстимулирующуюи гипокальциемическую активность, а также инсулиноподоб-ный эффект.

Липотропный эффект липотропинов осуществляется черезсистему «аденилатциклаза — цАМФ — протеинкиназа», завер-шающей стадией действия которой является фосфорилирова-ние триацилглицерол-липазы и ее активирование.

160

Активная триацилглицерол-липаза расщепляет нейтральныежиры на диацилглицерол и высшую жирную кислоту.

β-липотропин не обладает гормональной активностью (в от-личие от продуктов его распада, образующихся при активномпротеолизе).

В ткани мозга и промежуточной доле гипофиза из β-липо-протеина синтезируются биологически активные пептиды, на-деленные опиатоподобным действием (эндорфины и энкефа-лины).

ЛЕКЦИЯ № 31. Гормоны щитовиднойи паращитовидных желез, поджелудочной железы

1. Гормоны щитовидной железы

Щитовидная железа активно участвует в обмене веществ,что подтверждается обильным ее кровоснабжением, несмотряна небольшую массу (20—30 г).

Гормоны щитовидной железы:1) трийоидтиронин (Т3);2) тетрайоидтиронин (Т4, тироксин) — основной гормонфолликулярной части щитовидной железы;3) кальцитонин — гормон пептидной природы, синтезиру-ется в парафолликулярных или С-клетках, обеспечиваетпостоянную концентрацию кальция в крови.Тиреоглобулин служит предшественником тироксина и три-

йодтиронина. Отличительная особенность тиреоидных гормонов —

необходимость микроэлемента йода для их биологической ак-тивности.

Биосинтез. Предшественник тироксина и трийоидтиронинаявляется тиреоглобулин — большой йодированный гликозиро-ванный белок, который содержит 115 остатков тирозина, представ-ляет собой форму хранения Т3 и Т4 в коллоиде и при нормальнойфункции щитовидной железы обеспечивает поступление этихгормонов в кровь.

Ежедневная секреция гормонального йода щитовидной желе-зой составляет 50 мкг. Йодид составляет 0,2—1% от массы тирео-глобулина.

Этапы метаболизма йодида:1) концентрирование (I-). Щитовидная железа способнаконцентрировать I- против высокого электрохимическогоградиента, что требует затрат энергии, процесс связан с за-висимым от АТРазы Na+/K+-насосом. Активность насоса

162

регулируется тиреотропином. Очень малые количества йоди-да поступают в щитовидную железу путем диффузии;2) окисление I-. Щитовидная железа способна окислять I- досостояния с более высокой валентностью, что необходимодля органификации I- и биосинтеза тиреоидных гормонов.В этом процессе участвует содержащая гем пероксидаза, пере-кись водорода выступает окисляющим агентом. Способностьсоединений группы тиомочевины на данном этапе биосинтезагормонов щитовидной железы используется в качестве анти-тиреоидных препаратов;3) йодирование тирозина;4) конденсация йодтирозинов.В крови гормоны щитовидной железы находятся в связан-

ной форме с белками, преобладающей метаболически активноймолекулярной формой является Т3, поскольку он связываетсяс рецепторами клеток-мишеней со сродством, в 10 раз превы-шающим сродство Т4.

Катаболизм гормонов щитовидной железы протекает подвум направлениям:

1) по пути распада гормонов с освобождением йодидов;2) по пути дезаминирования — отщепления аминогруп-пы — боковой цепи гормонов. Продукты обмена или неиз-мененные гормоны выделяются с мочой или калом.Регуляция синтеза и высвобождения гормонов щитовидной

железы — главные компоненты, составляющие петлю отрица-тельной обратной связи — Т4, Т3, тиреотропин, тиролиберин.Т3 и Т4 тормозят свой собственный синтез по механизму обрат-ной связи.

Стимулом для повышенной секреции тиролиберина и тирео-тропина служит снижение содержания тиреоидных гормоновв крови.

Механизм действия тиреоидных гормонов:1) повышение поглощения кислорода. Эффект наблюдает-ся во всех органах, кроме головного мозга, ретикулоэндо-телиальной системы и гонад. Они повышают эффектив-ность работы Na+/K+-АТРазного насоса, что приводитк повышенной утилизации АТР и к повышенному потреб-лению кислорода в процессе окислительного фосфорили-рования;

163

2) индукция синтеза белков путем активации механизмагенной транскрипции;3) регуляция скорости основного обмена, рост и дифферен-цировка тканей, обмен белков, углеводов и липидов, водно-электролитный обмен.ПатофизиологияЭндемический зоб — компенсаторное увеличение щито-

видной железы при недостатке йода в пище и воде, при кото-ром происходит разрастание соединительной ткани щитовид-ной железы, но без увеличения секреции тиреоидныхгормонов.

Лечение заключается в обогащении продуктов питания неорга-ническим йодом.

Гипертиреоз — повышенная функция щитовидной железы(зоб диффузный токсический, базедова болезнь).

Обусловлен избыточным образованием тиреоидных гор-монов.

Резкое повышение обмена веществ сопровождается усилен-ным распадом тканевых белков, что приводит к развитию отри-цательного азотистого баланса, общему истощению организма.Характерные симптомы болезни:

1) резкое увеличение числа сердечных сокращений — тахи-кардия;2) пучеглазие — экзофтальм;3) зоб — увеличение в размерах щитовидной железы.Лечением является оперативное удаление всей щитовидной

железы или введение антагонистов тироксина, тормозящих синтезтиреоидных гормонов.

Кальцитонин секретируется парафолликулярными клеткамищитовидной железы, реже — паращитовидной железы или ти-муса.

Уровень его секреции регулируется концентрацией ионизиро-ванного кальция, стимул к секреции — глюкагон и пентагастрин.

Механизм действияРоль в физиологии не совсем ясна, увеличивает содержание

сАМР в кости, оказывает значительный эффект на метаболизмфосфата.

Клинических проявлений недостаточности нет.

164

2. Гормоны паращитовидных желез

Паратгормон (ПТГ) содержит 84 аминокислотных остаткаи состоит из одной полипептидной цепи.

Участие паратиреоидного гормона в минеральном гомеостазе1. Кальциевый гомеостаз:1) ПТГ повышает скорость растворения кости (вымываниекак органических, так и неорганических компонентов), чтообеспечивает переход ионов кальция во внеклеточную жид-кость;2) снижает почечный клиренс, т. е. экскрецию кальция, темсамым способствует повышению его концентрации во вне-клеточной жидкости;3) посредством стимуляции образования кальцитриона уве-личивает эффективность всасывания ионов кальция в ки-шечнике.Таким образом, ПТГ предотвращает развитие гипокальцие-

мии при недостаточности кальция в пище, но этот эффект дости-гается за счет вещества кости.

2. Гомеостаз фосфата.Парным кальцию ионом обычно является фосфат. Когда ПТГ стимулирует растворение минерального мат-

рикса кости, фосфат высвобождается вместе с кальцием. ПТГповышает также почечный клиренс фосфата.

В итого суммарный эффект ПТГ на кости и почки сводитсяк увеличению концентрации кальция и снижению концентра-ции фосфата во внеклеточной жидкости.

Регуляция синтеза и метаболизмаСкорость образования и секреции ПТГ значительно возрастает

при снижении концентрации ионов кальция, распад на перво-начальном этапе не зависит от концентрации ионов кальция.

Протеолиз ПТГ проходит в основном в паращитовиднойжелезе. Периферический протеолиз происходит главным об-разом в купферовских клетках печени. Секреция ПТГ нахо-дится в обратной зависимости от концентрации ионов кальцияи магния в среде.

Механизм действия:1) ПТГ связывается с мембранным рецептором. Взаимо-действие гормона с рецептором инициирует типичный

165

каскад событий: активацию аденилатциклазы — увеличе-ние клеточной концентрации сАМР — увеличение содер-жания кальция в клетке — фосфорилирование специфиче-ских внутриклеточных белков киназами — активациюопределенных внутриклеточных ферментов или белков,определяющих в конечном итоге биологическое действиегормона;2) влияние ПТГ на кости проявляется множественными эф-фектами, суммарный эффект — деструкция кости, сопровож-дающаяся высвобождением кальция, фосфора и элементов ор-ганического матрикса. Клетки, ответственные за этотпроцесс, — остеокласты или остеоциты. Внутриклеточнымпосредником ПТГ служит ион кальция. Первое проявлениеэффекта ПТГ — снижение концентрации ионов кальция в пе-рицеллюлярном пространстве и возрастание его внутрикле-точно. Увеличение внутриклеточного кальция стимулируетсинтез РНК в клетках кости и высвобождение ферментов, участ-вующих в резорбции кости. В отсутствие внеклеточного кальция ПТГ по-прежнему повы-шает концентрацию сАМР, но уже не стимулирует резорбциюкости;3) влияние ПТГ на почки: влияет на транспорт ионовв виде увеличения резорбции кальция из клубочковогофильтрата, торможения резорбции фосфатов, ингибирова-ния транспорта ионов натрия, калия и бикарбоната;4) влияние ПТГ на слизистую кишечника: не оказывает пря-мого эффекта на транспорт ионов кальция через слизистую ки-шечника, но служит решающим фактором регуляции биосин-теза кальцитриона.ПатофизиологияНедостаток ПТГ приводит к гипопаратиреозу: возникают

снижение уровня ионизированного кальция и повышениеуровня фосфата в сыворотке крови.

СимптомыВысокая нейромышечная возбудимость, вызывающая судо-

роги и тетанические сокращения мышц. Тяжелая острая гипокальциемия ведет к тетаническому пара-

личу дыхательных мышц, ларингоспазму, сильным судорогами смерти.

166

Причина гипопаратиреоза — случайное удаление или повреж-дение паращитовидных желез при операциях на шее или аутоим-мунная деструкция паращитовидных желез.

Псевдогипопаратиреоз — резистентность органов-мишенейк биологически активному ПТГ.

Биохимические сдвиги сопряжены с дефектами развития: ма-лый рост, укорочение пястных и плюсневых костей, задержка ум-ственного развития.

Гиперпаратиреоз (избыточная продукция ПТГ) возникаетвследствие аденомы паратиреоидных желез либо их гипер-плазии.

Биохимические критерии гипопаратиреоза: повышенныеуровни ионизированного кальция и ПТГ и сниженный уровеньфосфатов в сыворотке крови.

В ряде случаев наблюдаются выраженная резорбция костейскелета и различные повреждения почек, включая камни в поч-ках, частое инфицирование мочевых путей, снижение функциипочек.

Вторичный паратиреоз, характеризующийся гиперплазиейпаращитовидных желез и гиперсекрецией ПТГ, наблюдаетсяу пациентов с почечной недостаточностью, сопровождаетсянарушением всасывания кальция в кишечнике и компенсатор-ным возрастанием высвобождения ПТГ.

3. Гормоны поджелудочной железы

Поджелудочная железа представляет собой два разных ор-гана, объединенных в единую морфологическую структуру.

Ацинарная часть выполняет экзокринную функцию, секре-тируя в просвет двенадцатиперстной кишки ферменты и ионы,необходимые для кишечного пищеварения.

Эндокринная часть железы представлена островками Лан-герганса, состоящими из клеток разного типа и секретирую-щими инсулин, глюкагон, соматостатин и панкреатическийполипептид, которые высвобождаются в панкреатическую ве-ну, впадающую в воротную.

Инсулин — первый белок с доказанной гормональной ак-тивностью, впервые получен в кристаллическом виде. Моле-кула инсулина — полипептид, состоящий из двух цепей, свя-

167

168

занных между собой дисульфидными мостиками. Между ин-сулином человека, свиньи и быка существует большое сход-ство. Биосинтез: предшественники инсулина.

Инсулин синтезируется в виде препрогормона. Синтез инсулина и его упаковка в гранулы происходит

в определенном порядке: проинсулин синтезируется на рибо-сомах шероховатого эндоплазматического ретикулума, затемпроисходит ферментативное отщепление и складывание моле-кулы, после чего молекула проинсулина переносится в аппа-рат Гольджи, где начинаются протеолиз и упаковка в секре-торные гранулы.

Проинсулин и инсулин соединяются с цинком. Ген челове-ческого инсулина локализован в коротком плече хромосомы 11.

Регуляция секреции инсулинаПоджелудочная железа человека секретирует до 40—50 еди-

ниц инсулина в сутки. Секреция инсулина — энергозависимыйпроцесс.

Стимулы синтеза инсулина:1) повышение концентрации глюкозы в крови. Это главныйфизиологический стимул секреции инсулина. Секреция инсу-лина в ответ на повышение концентрации глюкозы имеетдвухфазный характер. Первая фаза реакции начинается в пре-делах 1 мин после повышения концентрации глюкозы и про-должается 5—10 мин. Вторая фаза (более медленная и болеепродолжительная) наступает после удаления глюкозного сти-мула; α-клетки реагируют и на скорость изменения концентра-ции глюкозы в плазме;2) гормональные факторы. На высвобождение инсулинавлияет множество гормонов:

а) α-адренергические агонисты (адреналин) — подавля-ют секрецию инсулина;б) β-адренергические агонисты — стимулируют секре-цию инсулина путем повышения концентрации внутри-клеточного сАМР;

3) фармакологические агенты. Секрецию инсулина стиму-лируют многие лекарственные препараты — производныесульфонилмочевины;4) внутриклеточные медиаторы секреции. При стимуляциисекреции инсулина глюкозой возрастает потребление кис-

лорода и использование АТР, что сопряжено с индуциро-ванной ионами калия деполяризацией мембраны с быстрымпроникновением в клетку ионов кальция по потенциалзави-симому каналу. Слияние инсулинсодержащих секреторныхгранул с плазматической мембраной и происходящая в ре-зультате секреция инсулина — процессы, зависящие откальция.В процессе секреции инсулина участвует и сАМР, который

потенцирует эффекты глюкозы и аминокислот. Этот нуклеотидстимулирует высвобождение ионов кальция из внутриклеточныхорганелл.

Метаболизм инсулинаИнсулин не имеет белка-носителя в плазме, поэтому в нор-

ме период его полужизни не более 5 мин. Метаболические пре-вращения инсулина происходят в основном в печени, почках,плаценте.

Около 50% инсулина исчезает из плазмы за один пассаж че-рез печень. В метаболизме инсулина участвуют две фермент-ные системы:

1) инсулин-специфическая протеиназа;2) глутатион-инсулин-трансгидрогеназа.Физиологические эффекты инсулина. Последствием инсули-

новой недостаточности является сахарный диабет, основнымпризнаком которого является гипергликемия, развивающаясяв результате:

1) пониженного проникновения глюкозы в клетки;2) снижения утилизации глюкозы различными тканями;3) повышения образования глюкозы (глюконеогенеза) в печени.Влияние на транспорт глюкозы через мембрануВнутриклеточная концентрация свободной глюкозы значи-

тельно ниже ее внеклеточной концентрации. Скорость транс-порта глюкозы через плазматическую мембрану мышечныхи жировых клеток определяет интенсивность фосфорилирова-ния глюкозы и ее дальнейший метаболизм.

Глюкоза проникает в клетки путем облегченной диффузии,опосредованной переносчиком.

Инсулин усиливает этот процесс, увеличивая число пере-носчиков, но это не касается печеночных клеток. Инсулин уси-ливает приток глюкозы в гепатоциты, индуцируя глюкокина-

169

зу — фермент, превращающий глюкозу в глюкозо-6-фосфат.В результате быстропротекающего фосфорилирования концент-рация свободной глюкозы в гепатоцитах низкая, проникнове-ние глюкозы в гепатоцит обеспечивается простой диффузиейпо градиенту концентрации.

Инсулин оказывает влияние на внутриклеточную утилиза-цию глюкозы.

Половина глюкозы через гликолиз превращается в энергию,вторая половина запасается в виде жиров. В отсутствие инсули-на ослабевает интенсивность гликолиза и замедляются процес-сы гликогенеза и липогенеза.

Образование глюкозы из предшественников неуглеводнойприроды осуществляется в результате ферментативных реакций,многие из которых стимулируются глюкагоном, глюкокортикоид-ными гормонами, в меньшей степени ангиотензином II и вазо-прессином.

Инсулин подавляет эти ферментативные реакции. Ключевойфермент глюконеогенеза в печени — ФЕПКК, под действиеминсулина количество этого фермента снижается. Влияние наметаболизм глюкозы.

Результирующее действие всех перечисленных выше эф-фектов инсулина сводится к снижению содержания глюкозыв крови.

Влияние инсулина на метаболизм липидовКроме оказания липогенного действия, инсулин является

мощным ингибитором липолиза в печени и жировой ткани, ока-зывая непрямое анаболическое действие.

Это может быть следствием способности инсулина снижатьсодержание сАМР и ингибировать активность гормончувстви-тельной липазы. В результате инсулин снижает содержаниежирных кислот в крови, которые, в свою очередь, подавляютгликолиз и стимулируют глюконеогенез.

У больных с инсулиновой недостаточностью активностьлипазы повышается, что приводит к усилению липолиза и уве-личению концентрации жирных кислот в плазме и печени. Со-держание глюкагона у таких больных также повышается, и этоусиливает выход свободных жирных кислот в кровь. Частьсвободных жирных кислот метаболизируется до ацетил-СоАи затем в лимонном цикле до СО2 и Н2О. При инсулиновой не-

170

достаточности ацетил-СоА превращается в ацетоацетил-СоА,затем в ацетоуксусную и β-гидроксимасляную кислоты. Инсу-лин влияет на клиренс липопротеинов очень низкой и низкойплотности, что ускоряет развитие атеросклероза у больныхдиабетом.

На метаболизм белков инсулин оказывает анаболическоедействие, стимулируя синтез белков и уменьшая их распад.Инсулин стимулирует пролиферацию клеток.

Механизм действия инсулина.1. Рецептор инсулина — специфический гликопротеино-

вый рецептор на поверхности клетки-мишени, синтезируетсяв виде одноцепочечного пептида в шероховатом эндоплазма-тическом ретикулуме. Концентрация рецепторов — 20 000 наклетку.

2. Внутриклеточные медиаторы. Предполагают, что глюкозадействует в качестве сигнала для активирования аденилатцикла-зы, образовавшейся сАМР (в качестве сигнала для секреции ин-сулина).

3. Многие из метаболических эффектов инсулина опосредо-ваны его влиянием на реакции фосфорилирования и дефосфо-рилирования белка, что, в свою очередь, влияет на фермента-тивную активность этого белка.

4. Инсулин влияет на трансляцию МРНК.5. Инсулин влияет на транскрипцию генов.ПатофизиологияПри недостаточности инсулина или устойчивости к его дей-

ствию развивается сахарный диабет, чаще инсулинонезависи-мый диабет II типа. Для таких больных характерны ожирение,повышенное содержание в плазме инсулина и сниженное коли-чество инсулиновых рецепторов.

Диабет I типа — инсулинозависимый. Клинически выявляе-мые симптомы — полиурия, полидипсия, полифагия. Выявля-ются гипергликемия и глюкозурия, нарушения обмена белков,липидов, углеводов.

Глюкагон — одноцепочечный полипептид, основное местосинтеза — А-клетки островкового аппарата поджелудочной же-лезы и другие места ЖКТ. В плазме находится в свободномсостоянии, не связывается с транспортным белком, инактива-ция его происходит в печени. Секреция глюкагона подавляется

171

глюкозой. Физиологический эффект, как правило, противопо-ложен эффектам инсулина, стимулирует гликогенолиз и липо-лиз, вызывает быструю мобилизацию источников потенциаль-ной энергии с образованием глюкозы и жирных кислот,наиболее активный стимулятор глюконеогенеза. Связываясь сосвоими рецепторами на плазматической мембране гепатоцитов,глюкагон активирует аденилатциклазу. Генерируемый при этомсАМР активирует фосфорилазу, которая ускоряет распад глико-гена, индуцирует ряд ферментов глюконеогенеза, стимулируяпревращение аминокислот в глюкозу. Глюкагон — мощный ли-политический агент, активирует липазу. При инсулиновой не-достаточности содержание глюкагона всегда повышено.

Соматостатин — циклический пептид, синтезируемый в D-клет-ках островков поджелудочной железы. Подавляет действие другихгормонов островковых клеток, действуя паракринным путем.В фармакологических количествах значительно уменьшает кетозпри сахарном диабете за счет способности тормозить секрециюглюкагона. Другие влияния:

1) замедляет опорожнение желудка;2) тормозит секрецию гастрина, соляной кислоты;3) подавляет экзокринную функцию поджелудочной железы;4) уменьшает кровообращение в брюшной полости.Панкреатический полипептид — продукт F-клеток поджелу-

дочной железы. Соматостатин и глюкоза снижают его секре-цию. Его функция неизвестна.

ЛЕКЦИЯ № 32. Гормоны надпочечников,половые гормоны, простагландины и гормоны тимуса

1. Гормоны надпочечников

Надпочечники состоят из двух различных в морфологическоми функциональном отношении частей — мозгового и корковоговещества.

Корковое вещество состоит из эпителиальной ткани и секре-тирует гормоны стероидной природы; мозговое вещество отно-сится к хромаффинной или адреналовой системе и вырабатыва-ет гормоны, относящиеся к производным аминокислот.

Стероидные гормоныКора надпочечников состоит из трех зон: это субкапсуляр-

ная — клубочковая, где продуцируются минералокортикоиды;в пучковой и сетчатой зонах вырабатываются глюкокортикоидыи андрогены.

Глюкокортикоиды — стероиды, состоящие из 21 углеродно-го атома, важнейший эффект которых — стимуляция глюконео-генеза. Основной глюкокортикоид человека — кортизол, обра-зующийся в пучковой зоне.

Первичное действие минералокортикоидов (альдостерон) со-стоит в задержке Na+ и выделении K+ и H+ главным образом че-рез почки. В пучковой и сетчатой зонах вырабатываются пред-шественник андрогенов — дигидроэпиандростерон и слабыйандроген — андростендион, которые превращаются в более ак-тивные андрогены в тканях вне надпочечников.

Все стероидные гормоны построены на основе 17-углерод-ной структуры циклопентанпергидрофенантрена, включающейв себя четыре кольца.

Биосинтез стероидных гормонов надпочечниковСтероидные гормоны образуются из холестерола, поступаю-

щего главным образом из крови, через промежуточное образова-

173

ние прегненолона в ходе последовательных реакций, которыепротекают либо в митохондриях, либо в эндоплазматической ре-тикулуме клеток надпочечников.

Прегненолон превращается в прогестерон, который далееподвергается гидроксилированию и образует дезоксикортико-стерон.

Последующее гидроксилирование приводит к образованию кор-тикостерона, обладающего глюкокортикоидной активностью и в малой степени — минералокортикоидной. Из кортикостеро-на образуется альдостерон.

Для синтеза кортизола (самого мощного из природных глю-кокортикоидных гормонов) необходимы гидроксилазы, воздей-ствующие либо на прогестерон, либо на прегненолон.

Для синтеза андрогенов субстратом является 17-гидрокси-прегненолон под действием фермента лиазы, выявленного в над-почечниках и гонадах.

Восстановление андростендиола приводит к образованиютестостерона (самого мощного андрогена надпочечников), нов очень небольшом количестве.

Стероидные гормоны практически не накапливаются в клет-ках надпочечников, а высвобождаются в плазму по мере образо-вания.

Транспорт в крови.1. Глюкокортикоиды.Кортизол в плазме находится в связанной с белками (α-гло-

булином, транскортином) и в свободной форме. Транскортинвырабатывается в печени, стимулируется эстрогенами. Свобод-ный кортизол составляет 8% общего количества этого гормона в плазме крови и представляет собой биологически активнуюформу.

2. Минералокортикоиды (альдостерон).Не имеет специфического транспортного белка в плазме, но

образует слабые связи с альбумином.Метаболизм и экскреция.1. Глюкокортикоиды.Кортизол и продукты его метаболизма составляют около

80 % 17-гидроксикортикоидов плазмы крови, остальные 20%приходятся на кортизон и 11-дезоксикортизол. Липофильныемолекулы стероида подвергаются модификации, образуя конъ-

174

югатные связи с глюкуронидом и сульфатом, благодаря чемулипофильные молекулы стероида становятся водорастворимы-ми и способными экскретироваться.

Большая часть конъюгированных стероидов подвергаютсяобратному всасыванию из кишечника, поступая в кишечно-пе-ченочный кровоток.

Около 70% конъюгированных стероидов экскретируются с мочой.

2. Минералокортикоиды.Альдостерон очень быстро удаляется из крови печенью.3. Андрогены.Выводятся из организма в виде 17-кетостероидов.Регуляция синтеза стероидных гормонов надпочечниковГлюкокортикоидные гормоны. Секреция кортизола зависит

от АКТГ, выделение которого, в свою очередь, регулируется кор-тикотропин-рилизинг-гормоном (КРГ) по классической петле от-рицательной обратной связи. Повышение уровня свободногокортизола тормозит секрецию КРГ.

Падение уровня свободного кортизола ниже нормы активиру-ет систему, стимулируя высвобождение КРГ гипоталамусом.Этот пептид, состоящий из 41 аминокислотного остатка, усили-вает синтез и высвобождение АКТГ.

В коре надпочечников АКТГ повышает скорость отщеплениябелковой цепи от холестерола — реакции, лимитирующей ско-рость стероидогенеза в целом. По мере нормализации уровнясвободного кортизола в крови происходит снижение секрецииКРГ гипоталамусом, что ведет к снижению выработки АКТГ ги-пофизом, а соответственно, и кортизола надпочечниками. Вы-свобождение АКТГ (и секреция кортизола) регулируется нерв-ными импульсами, поступающими из различных отделовнервной системы.

Существует эндогенный ритм, определяющий секрециюКРГ, а следовательно, и АКТГ. Этот ритм существует, чтобыобеспечить увеличение кортизола в крови вскоре после засы-пания.

Во время сна уровень кортизола продолжает возрастать, до-стигая пика вскоре после просыпания, затем постепенно падаетдо минимальных величин к концу дня. Исчезновение суточнойпериодичности секреции стероидов обычно связано с патологией

175

гипофизарно-адреналовой системы, некоторыми видами депрес-сивных состояний, на секрецию кортизола влияют также физиче-ские и эмоциональные стрессы. Эти реакции могут нивелироватьвоздействия системы отрицательной обратной связи и суточногоритма.

2. Минералокортикоидные гормоны

Продукция альдостерона клетками клубочковой зоны регу-лируется совершенно иначе: основными регуляторами служатсистема «ренин—ангиотензин» и калий, но в этом процессетакже участвуют натрий, АКТГ и нейрональные механизмы.

Система «ренин — ангиотензин» Эта система участвует в регуляции артериального давления

и электролитного обмена. Основным гормоном при этом являетсяангиотензин II — октапептид, образующийся из ангиотензиногена.

Ангиотензиноген — α2-глобулин, синтезируемый печенью, онслужит субстратом для ренина — фермента, продуцируемого юк-стагломерулярными клетками зоны почечных афферентных арте-риол.

Локализация этих клеток делает их особо чувствительнымик изменениям артериального давления. Факторы, стимулирующиевысвобождение ренина:

1) пониженное артериальное давление;2) перемена положения тела от вертикального к горизон-тальному;3) потеря соли организмом;4) β-адренергические агенты;5) простагландины.Факторы, ингибирующие высвобождение ренина:1) повышенное артериальное давление;2) перемена положения тела от вертикального к горизон-тальному;3) солевая нагрузка;4) β-адренергические антагонисты;5) ингибиторы простагландинов;6) калий;7) вазопрессин;8) ангиотензин II.

176

Ренин воздействует на свой субстрат — ангиотензин, превра-щая его в декапептид ангиотензин I. Глюкокортикоиды и эстроге-ны активируют синтез ангиотензиногена в печени.

Ангиотензинпревращающий фермент — глюкопротеид, вы-явленный в легких, эндотелиальных клетках, плазме крови — от-щепляет от ангиотензина I два аминокислотных остатка, превра-щая его в ангиотензин II.

Превращающий фермент расщепляет также брадикинин,мощное сосудорасширяющее средство.

Ангиотензин II увеличивает артериальное давление, вызываясужение артеририол, являясь самым сильнодействующим из известных вазоактивных агентов. Кроме того, он тормозит высво-бождение ренина юкстагломерулярными клетками и оказы-вает сильное стимулирующее действие на выработку аль-достерона.

Секреция альдостерона зависит от изменения уровня калияв плазм: увеличение калия симулирует секрецию альдостеро-на, снижение тормозит синтез и секрецию гормона.

Ион калия не влияет на биосинтез кортизола. Хроническаянедостаточность АКТГ может ослаблять действие других ре-гуляторов (ангиотензина II, Na+, К+) на содержание альдосте-рона в крови.

Недостаточность Na+ усиливает продукцию альдостерона,а нагрузка ими снижает продукцию.

Воздействие стероидных гормонов надпочечников на ме-таболизм

Избыточное либо недостаточное содержание в крови глюко-или минералокортикоидов вызывает целый ряд серьезныхосложнений, непосредственно обусловленных влиянием этихгормонов на обмен веществ.

1. Глюкокортикоидные гормоны:1) глюконеогенез увеличивается за счет его ускорения, сти-муляции высвобождения аминокислот (субстратов глюко-неогенеза) из периферических тканей через активацию ка-таболических процессов, стимуляции метаболических процессов другими гормонами, торможения потребленияглюкозы во внепеченочных тканях, путем повышения коли-чества и активности ключевых ферментов в печени;2) глюкокортикоиды увеличивают запасы гликогена в печени;

177

3) избыточное количество глюкокортикоидов стимулируетлиполиз в конечностях и липогенез на лице и туловище,приводит к возрастанию уровня свободных жирных кислотв плазме крови, усиливает липолитическое действие катехо-ламинов и гормона роста;4) глюкокортикоиды в целом оказывают анаболическоедействие на обмен белков и нуклеиновых кислот в печении катаболическое — в других органах, что обеспечивает оп-тимальные условия для глюконеогенеза;5) глюкокортикоиды в высоких концентрациях тормозятиммунологический ответ организма-хозяина, вызывают ги-бель лимфоцитов, влияют на выработку антител В-лимфоци-тами, супрессорную и хелперную функцию Т-лимфоцитов,метаболизм антител;6) противовоспалительный ответ подавляется глюкокорти-коидами за счет уменьшения количества циркулирующихлимфоцитов, моноцитов, торможения накопления лимфоци-тов в участках воспаления, но глюкокортикоиды стимулиру-ют высвобождение из лейкоцитов веществ, участвующихв воспалительной реакции (кининов, плазминоген-активи-рующего фактора, простагландинов, гистамина), ингибиру-ют пролиферацию фибробластов;7) глюкокортикоиды необходимы для поддержания нормаль-ного артериального давления и минутного объема сердца;8) при недостаточности глюкокортикоидов нарушается эк-скреция воды, падает скорость клубочковой фильтрации.Как и минералокортикоиды, они увеличивают выработку ан-гиотензиногена;9) рост и развитие соединительной ткани. Глюкокортикоидыв высоких концентрациях оказывают катаболическое действие,тормозят рост и деление фибробластов, а также продукцию кол-лагена и фибронектина. Это ведет к ослаблению структурнойосновы кожи, ее истончению. За счет торможения синтеза бел-ков происходит тяжелая атрофия мышц. Прием глюкокортикои-дов приводит к уменьшению массы костей — остеопорозу;10) глюкокортиокоиды участвуют в физиологическом ответена острый стресс.Минералокортикоидные гормоны воздействуют на почки, сти-

мулируя активный транспорт Na+ в дистальных извитых канальцах

178

и собирательных трубочках. Конечный результат состоит в задерж-ке натрия в организме, выделении почками ионов калия, водородаи аммония. Именно альдостерон обеспечивает минералокортикоид-ные эффекты в организме человека. Однако кортизол, хотя и го-раздо менее активный, вырабатывается со значительно большейскоростью и поэтому вносит существенный вклад в задержку нат-рия и экскрецию калия. Воздействие альдостерона на транспорт ка-тионов в почках не связано с какими-либо изменениями почечногокровотока или скорости клубочковой фильтрации.

Механизм действия глюкокортикоидных гормоновБиологический эффект стероида определяется как способно-

стью связываться с рецептором, так и концентрацией свободногогормона в крови. Эти гормоны влияют на специфические внутри-клеточные процессы путем изменения содержания в клетке кри-тически важных белков (как правило, ферментов). Последнееопределяется тем, что глюкокортикоиды способны регулироватьв клетках-мишенях транскрипции специфических генов.

Механизм действия альдостерона: клетки-мишени содержатспецифические рецепторы, связывающие альдостерон. Образо-вавшийся гормон-рецепторный комплекс связывается с хромати-ном и регулирует скорость транскрипции специфических генов.Na+ из жидкости, содержащейся в канальцах и омывающей апи-кальную поверхность почечных клеток, пассивно входит в клеткипо Na+-каналам. Далее происходит перенос этого иона в интерсти-циальную жидкость Na+/K+-зависимой АТРазой, т. е. за счет рас-ходования энергии. Альдостерон увеличивает число Na+-кана-лов, что ведет к повышению уровня внутриклеточного натрия.Кроме того, альдостерон увеличивает активность ряда митохонд-ральных ферментов, что способствует выработке АТР.

Патофизиология коры надпочечниковПервичная недостаточность надпочечников (аддисонова бо-

лезнь) проявляется гипогликемией, крайне высокой чувствитель-ностью к инсулину, непереносимостью стресса, анорексией, поте-рей веса, тошнотой, резко выраженной слабостью, гипотензией,уменьшением скорости клубочковой фильтрации, тягой к солено-му. Уровень натрия в плазме снижен, уровень калия повышен, уве-личено число лимфоцитов в крови, усилена пигментация кожи,что обусловлено компенсаторно повышенной секрецией АКТГ.Вторичная недостаточность надпочечников вызывается дефици-

179

том АКТГ, возникающим вследствие опухоли, инфаркта или ин-фекции. При этом гиперпигментация отсутствует. Состояние, свя-занное с избытком глюкокортикоидов, называется синдро-мом Иценко—Кушинга. Как правило, оно возникает в результате фар-макологического использования стероидов, но может быть обу-с-ловлено секретирующей АКТГ аденомой гипофиза, аденомойили карциномой надпочечников и характеризуется:

1) исчезновением суточного ритма секреции АКТГ/кортизола;2) гипергликемией за счет ускорения глюконеогенеза;3) резким усилением катаболизма белков;4) уменьшением мышечной массы;5) развитием остеопороза;6) своеобразным перераспределением жира (ожирением ту-ловища);7) ослаблением сопротивляемости к инфекциям.Расстройства, связанные с минералокортикоидными гормонами:1) гипертензия;2) гипернатриемия;3) алкалоз.Эти симптомы развиваются при первичном альдостеронизме

(синдроме Иценко—Кушинга), причиной которых являются не-большие аденомы клубочкового слоя. Избытка глюкокортикоид-ных гормонов при этом не наблюдается, снижен уровень ренинаи ангиотензина II. При стенозе почечных артерий могут развить-ся гиперплазия и гиперфункция юкстагломерулярных клеток, чтоведет к повышению уровня ренина и ангиотензина II, в конечномитоге развивается вторичный альдостеронизм.

Врожденная гиперплазия надпочечников. Недостаточностьстероидогенных ферментов приводит к недостаточности конеч-ных продуктов и накоплению промежуточных продуктов стероидо-генеза, активации альтернативных путей синтеза стероидов. Общаяхарактеристика: недостаточность продукции кортизола на фонегиперпродукции АКТГ и гиперплазия надпочечников; вторая об-щая характеристика — гиперпродукция андрогенов. При-знаки избытка андрогенов (адреногенитальный синдром):

1) усиление роста тела;2) вирилизация;3) нарушение формирования наружных половых органов.

180

3. Гормоны мозгового вещества надпочечников

Мозговой слой надпочечников служит продолжением симпати-ческой нервной системы, поскольку преганглионарные волокначревного ствола оканчиваются на хромаффинных клетках мозговогослоя надпочечников, продуцирующих катехоламины: дофамин, нор-адреналин, адреналин, которые обеспечивают адаптацию к острыми хроническим стрессам.

Биомедицинское значение катехоламинов:1) мозг — усиление кровотока, повышение обмена глюкозы;2) сердечно-сосудистая система — увеличение частоты и си-лы сердечных сокращений, сужение периферических сосудов;3) легочная система — повышение снабжения кислородом,расширение бронхов, увеличение вентиляции;4) мышцы — повышение гликогенолиза, повышение сокра-тимости;5) печень — повышение продукции глюкозы, повышениеглюконеогенеза, гликогенолиза, снижение синтеза гликогена;6) жировая ткань — повышение липолиза, увеличение уров-ня жирных кислот и глицерола;7) кожа — снижение кровотока;8) скелетные мышцы — снижение поглощения и утилиза-ции глюкозы;9) желудочно-кишечный тракт и мочеполовая система —снижение синтеза белка;10) лимфоидная ткань — повышение протеолиза.Биосинтез катехоламиновНепосредственный предшественник катехоламинов — тиро-

зин. Превращение тирозина в адреналин происходит в четыреэтапа. Адреналин — главный продукт хромаффинных клетокмозгового слоя надпочечников. Вне мозгового вещества адре-налин не образуется, норадреналин образуется преимуществен-но in situ.

Секреция Нервная стимуляция мозгового слоя надпочечников приво-

дит к слиянию хромаффинных гранул с плазматической мем-браной.

Этот процесс зависит от кальция, стимулируется холинэрги-ческими и β-адренергическими агентами.

181

Метаболизм катехоламинов. Катехоламины быстро метабо-лизируются под влиянием ферментов, и лишь менее 5 % адре-налина выводится с мочой.

Механизм действия катехоламиновКатехоламины действуют через два главных класса рецепто-

ров: α-адренергические и β-адренергические. Эффекты, опос-редуемые различными адренергическими рецепторами:

1) α-1:а) повышение гликогенолиза;б) сокращение гладких мышц сосудов и мочеполовойсистемы;

2) α-2:а) расслабление гладких мышц, желудочно-кишечноготракта;б) сокращение гладких мышц, некоторых сосудов;в) ингибирование липолиза, секреции ренина, агрегациитромбоцитов, секреции инсулина;

3) β-1 рецепторы:а) стимуляция липолиза;б) сокращение миокарда (увеличение амплитуды, увели-чение силы сокращения);

4) β-2 рецепторы:а) повышение глюконеогенеза в печени;б) повышение гликогенолиза в печени, мышцах;в) повышение секреции инсулина, глюкагона, ренина;г) расслабление гладких мышц бронхов, сосудов, моче-половой системы, желудочно-кишечного тракта.

Гормоны, связывающиеся с β-рецепторами, активируют аде-нилатциклазу, с α-рецепторами — ингибируют ее.

Патофизиология мозгового слоя надпочечниковФеохромоцитомы, являющиеся опухолями, продуцируют и сек-

ретируют адреналин и норадреналин, что проявляется гипертониче-скими кризами. Гормоны надпочечников используются с лечебнойцелью. Половые гормоны синтезируются в основном в половых же-лезах женщин (яичники и желтое тело вырабатывают эстрогеныи прогестерон) и мужчин (в семенниках), некоторое их количествовырабатываеся в плаценте, корковом веществе надпочечников. Сек-реция эстрогенов (эстрадиола) и прогестерона носит циклическийхарактер: в первой фазе полового цикла вырабатываются в основ-

182

ном эстрогены, во второй — преимущественно прогестерон. Пред-шественником этих гормонов является холестерин, который под-вергается последовательным реакциям гидроксилирования, окисле-ния и отщепления боковой цепи с образованием прегненолона.Завершается синтез эстрогенов ароматизацией первого кольца,включающей три оксидазные реакции, зависящие от цитохромаР-450. Во время беременности гормоны образуются и в фетоплацен-тарном комплексе. Значительная часть эстрогенов образуется путемпериферической ароматизации андрогенов. У женщин важным источ-ником эстрогенов служат андрогены надпочечников. Основные эф-фекты эстрогенов и прогестинов обусловлены их способностью при-соединяться к внутриклеточным рецепторам, образующийсягормон-рецепторный комплекс связывается со специфическимиучастками хроматина или ДНК, что приводит к изменению скороститранскрипции специфических генов. Регуляция синтеза эстрогенови прогестерона осуществляется гонадотропными гормонами гипофи-за (фоллитропином и лютропином), которые опосредованно (через ре-цепторы клеток яичника и систему аденилатциклаза-сАМР, синтезспецифического белка) контролируют синтез гормонов. Основнаябиологическая роль эстрогенов и прогестерона — обеспечение ре-продуктивной функции организма женщины. Функции прогестерона:

1) подготовка слизистой оболочки матки к имплантации яйце-клетки в случае ее оплодотворения;2) сохранение беременности при наступлении беременности;3) торможение овуляции;4) стимулирование развития молочной железы.Эстрогены оказывают анаболическое действие. Распад эстро-

генов и прогестерона происходит в печени путем конъюгации.Патофизиология женской репродуктивной системыПервичный гипогонадизм обусловлен недостаточностью яич-

ников (ослабленной овуляцией, пониженным образованием гор-монов). Вторичный гипогонадизм — это результат выпадения гонадотропной функции гипофиза. Дисгенезия гонад (синд-ром Тернера) — наследственное заболевание, характеризующеесякариотипом ХО, наличием женских внутренних и наружных поло-вых признаков, некоторыми аномалиями развития и задержкойполового развития. Синдром поликистозных яичников (синдромШтейна—Левенталя) — гиперпродукция андрогенов, приводя-щая к гирсутизму, ожирению, нерегулярности менструаций и по-

183

нижению фертильности. Остаточная трофобластная ткань можетобусловливать доброкачественный пузырный занос или при егозлокачественном перерождении — хориокарциному.

Мужские половые гормоны (андростерон, тестостерон, ди-гидроэпиандростерон), в отличие от эстрогенов, имеют две метиль-ные группы и в противоположность ароматическому характерукольца А эстрогенов тестостерон, кроме того, содержит кетоннуюгруппу (как и кортикостероиды). Биосинтез андрогенов осуществ-ляется главным образом в семенниках, частично в яичниках и над-почечниках.

Основными предшественниками андрогенов являются уксуснаякислота и холестерин.

Путь биосинтеза тестостерона со стадии холестерина включаетнесколько последовательных ферментативных реакций через прег-ненолон и 17-α-оксипрегненолон.

Регуляция биосинтеза андрогенов в семенниках осуществля-ется гонадотропными гормонами гипофиза.

Андрогены регулируют секрецию гонадотропинов по меха-низму отрицательной обратной связи, блокируя соответствующиецентры в гипоталамусе.

Биологическая роль андрогенов в мужском организме в основ-ном связана с дифференцировкой и функционированием репро-дуктивной системы.

В отличие от эстрогенов андрогенные гормоны уже в эмбрио-нальном периоде оказывают существенное влияние на дифферен-цировку мужских половых желез. Во взрослом организме андро-гены:

1) регулируют развитие мужских вторичных половых призна-ков;2) регулируют сперматогенез;3) обладают значительным анаболическим действием.Распад мужских половых гормонов осуществляется в основ-

ном в печени по пути образования 17-кетостероидов.Механизм действия андрогеновСвободный тестостерон проникает в клетки через плазмати-

ческую мембрану путем пассивной или облегченной диффузии.Клетки-мишени удерживают тестостерон.

Аналогично другим стероидным гормонам комплекс тестосте-рон/ДГТ-рецептор активирует специфические гены, белковые

184

продукты которых опосредуют эффекты соответствующего гор-мона.

Эффект стимулирования синтеза белка в мужских половыхорганах сопряжен с накоплением общей клеточной РНК.

Патофизиолгия репродуктивной системы у мужчинГипогонадизм (снижение уровня синтеза тестостерона) не-

доразвитие или обратное развитие вторичных половых при-знаков.

Первичный гипогонадизм является результатом процессов,которые непосредственно влияют на семенники и вызывают ихнедостаточность.

В основе вторичного гипогонадизма лежит нарушение сек-реции гонадотропинов.

Степень нарушения дифференцировки зависит от тяжестидефицита тестостерона.

Список использованной литературы

1. Ашмарин И. П. Молекулярная биология. Л.: ИздательствоЛГУ, 1977.

2. Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия. М.:Медицина, 1998.

3. Браунштейн А. Е. На стыке химии и биологии. М.: Наука,1987.

4. Мардашев С. Р. Биохимические проблемы медицины. М.:Медицина, 1975.

5. Овчинников Ю. А. Биоорганическая химия. М.: Просве-щение, 1987.

6. Строев Е. А. Биологическая химия. М.: Высшая школа,1986.

7. Филлипович Ю. Б. Основы биохимии. М.: Высшая школа,1994.

Содержание

ЛЕКЦИЯ № 1. Функции белков, аминокислотный состав белков. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1. Функции белков, содержание белков в органах и тканях . . . . . . . . . . . . . . . .32. Аминокислотный состав белков, классификация аминокислот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43. Общие свойства аминокислот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

ЛЕКЦИЯ № 2. Физико-химические свойства белков, их структурная организация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1. Физико-химические свойства белков. Понятие структурной организации белков . . . . . . . . . . . .102. Первичная и вторичная структура белка . . . . . . . . . . . .113. Третичная и четвертичная структура белка . . . . . . . . .144. Классификация белков, химия простых белков,природные пептиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15

ЛЕКЦИЯ № 3. Особенности белкового обмена, переваривание белков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1. Особенности белкового обмена . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172. Особенности переваривания белков, эндопептидазы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183. Переваривание белков в желудке и кишечнике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

ЛЕКЦИЯ № 4. Всасывание продуктов гидролиза белков и промежуточный обмен аминокислот . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1. Всасывание продуктов гидролиза белков . . . . . . . . . . .202. Промежуточный обмен аминокислот . . . . . . . . . . . . . .223. Амины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24

ЛЕКЦИЯ № 5. Обезвреживание аммиака в организме,специфические пути обмена аминокислот, патология азотистого обмена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1. Обезвреживание аммиака в организме . . . . . . . . . . . . .262. Специфические пути обмена аминокислот . . . . . . . . . .273. Патология азотистого обмена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

187

ЛЕКЦИЯ № 6. Обмен нуклеиновых кислот . . . . . . . . . . . . . 311. Общие представления об обмене нуклеопротеидов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31

ЛЕКЦИЯ № 7. Химия нуклеиновых кислот. Обмен хромопротеинов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

1. Биосинтез ДНК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .342. Биосинтез РНК, биогенез мРНК . . . . . . . . . . . . . . . . . .353. Биогенез тРНК и рРНК, синтез РНК на матрице РНК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .364. Распад нуклеиновых кислот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .375. Биосинтез гемоглобина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37

ЛЕКЦИЯ № 8. Общие требования к синтезу белка . . . . . . . 391. Составные части белоксинтезирующей системы,рибосомы и аминоацил-тРНК-синтетазы . . . . . . . . . . . . .392. Транспортные и матричные РНК, природа генетического кода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40

ЛЕКЦИЯ № 9. Синтез и постсинтетическая модификация белка. . . . . . . . . . . . . . . . 41

1. Синтез белка и его транспорт через мембраны . . . . . .412. Транспорт синтезированных белков через мембраны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .423. Регуляция синтеза белка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43

ЛЕКЦИЯ № 10. Хромопротеины и нуклеопротеины . . . . . . 451. Определение хромопротеинов. Гемо- и флавопротеины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .452. Нуклеопротеины и липопротеины . . . . . . . . . . . . . . . . .473. Фосфопротеины и гликопротеины . . . . . . . . . . . . . . . . .484. Протеогликаны и металлопротеины . . . . . . . . . . . . . . .50

ЛЕКЦИЯ № 11. Химический состав и структурануклеиновых кислот. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

1. Химический состав нуклеиновых кислот . . . . . . . . . . .542. Особенности структуры нуклеиновых кислот . . . . . . .563. Первичная структура нуклеиновых кислот . . . . . . . . . .584. Вторичная и третичная структура нуклеиновых кислот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59

ЛЕКЦИЯ № 12. Понятие о ферментах, их химическая природа и строение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

1. Понятие о ферментах, их химическая природа и строение . . . . . . . . . . . . . . . . . .622. Активный центр ферментов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63

188

3. Изоферменты и мультимолекулярные ферментные системы . . . . . . . . .65

ЛЕКЦИЯ № 13. Механизм действия ферментов . . . . . . . . . 671. Механизм действия ферментов . . . . . . . . . . . . . . . . . . .672. Кинетика ферментативных реакций . . . . . . . . . . . . . . .69

ЛЕКЦИЯ № 14. Основные свойства ферментов и факторы, определяющие их активность . . . . . . . . . . . . . . . 71

1. Основные свойства ферментов, влияние концентраций субстрата и фермента на скорость ферментативной реакции . . . . . . . . . . . . . . . .712. Активирование и ингибирование ферментов . . . . . . . .723. Регуляция активности ферментов, определение активности ферментов . . . . . . . . . . . . . . . . .74

ЛЕКЦИЯ № 15. Классификация и номенклатура ферментов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

1. Классификация и номенклатура ферментов, списокферментов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76

ЛЕКЦИЯ № 16. Углеводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 781. Биологическая роль углеводов, их классификация,моносахариды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .782. Основные реакции моносахаридов . . . . . . . . . . . . . . . .79

ЛЕКЦИЯ № 17.ЛЕКЦИЯ № 17. Олиго- и полисахариды . . . . . . . . . . . . . . 811. Олигосахариды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .812. Полисахариды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82

ЛЕКЦИЯ № 18. Переваривание и всасывание углеводов, обмен гликогена, гликолиз, глюконеогенез. . . . . 85

1. Обмен углеводов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .852. Распад и синтез гликогена. Гликолиз . . . . . . . . . . . . . .873. Спиртовое брожение.

ЛЕКЦИЯ № 19. Аэробный метаболизмпировиноградной кислоты, цикл Кребса . . . . . . . . . . . . . . . . 91

1. Аэробный метаболизм пировиноградной кислоты . . . .912. Реакции цикла Кребса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93

ЛЕКЦИЯ № 20. Пентозофосфатный шунт, регуляцияуглеводного обмена, нарушения углеводного обмена. . . . . . 94

1. Пентозофосфатный путь превращения глюкозы . . . . .942. Регуляция углеводного обмена . . . . . . . . . . . . . . . . . . .953. Нарушения углеводного обмена . . . . . . . . . . . . . . . . . .95

189

ЛЕКЦИЯ № 21. Биологическая роль липидов, их классификация. Глицериды и воски . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

1. Биологическая роль и классификация липидов. Жирные кислоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .982. Глицериды и воски . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100

ЛЕКЦИЯ № 22. Фосфолипиды, гликолипиды и стероиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

1. Определение и классификация фосфолипидов.Глицерофосфолипиды и сфингофосфолипиды . . . . . . . .1022. Гликолипиды и стероиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1043. Переваривание и всасывание липидов . . . . . . . . . . . .1064. Окисление жирных кислот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1075. Метаболизм кетоновых тел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108

ЛЕКЦИЯ № 23. Биосинтез липидов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1101. Биосинтез жирных кислот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1102. Биосинтез триглицеридов и фосфолипидов . . . . . . . .111

ЛЕКЦИЯ № 24. Регуляция и нарушения липидного обмена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

1. Регуляция липидного обмена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1132. Нарушения липидного обмена . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1143. Атеросклероз и липопротеины . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1154. Желчные кислоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116

ЛЕКЦИЯ № 25. Общие представления о витаминах, методы определения и классификация витаминов. . . . . . . . 118

1. Общие представления о витаминах, понятие антивитаминов, методы определения витаминов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1182. Классификация витаминов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119

ЛЕКЦИЯ № 26. Жирорастворимые витамины . . . . . . . . . . 1221. Витамины группы A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1222. Витамины группы D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1233. Витамины группы E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1264. Витамины группы K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127

ЛЕКЦИЯ № 27. Водорастворимые витамины . . . . . . . . . . 1301. Витамин B1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1302. Витамин B2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1323. Витамин B3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1334. Витамин B6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1345. Витамин B12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1366. Фолиевая кислота . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138

190

7. Витамин PP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1408. Биотин (витамин H) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1419. Витамин C и витамин P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143

ЛЕКЦИЯ № 28. Витаминоподобные вещества . . . . . . . . . . 1461. Парааминобензойная кислота, витамин B15, инозит, коэнзим Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1462. Пирролохинолинохинон, витамин U, липоевая кислота, холин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148

ЛЕКЦИЯ № 29. Общее понятие о гормонах, их номенклатура и классификация, гормоны гипоталамуса. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

1. Общее понятие о гормонах, их номенклатура и классификация . . . . . . . . . . . . . . . . .1512. Гормоны гипоталамуса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152

ЛЕКЦИЯ № 30. Гормоны гипофиза . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1551. Классификация гормонов гипофиза. Вазопрессин и окситоцин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1552. Соматотропин, кортикотропин и меланотропины . . . . .1573. Пролактин, тиротропин, гонадотропины и липотропины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159

ЛЕКЦИЯ № 31. Гормоны щитовидной и паращитовидных желез, поджелудочной железы . . . . . . . 162

1. Гормоны щитовидной железы . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1622. Гормоны паращитовидных желез . . . . . . . . . . . . . . . .1653. Гормоны поджелудочной железы . . . . . . . . . . . . . . . .167

ЛЕКЦИЯ № 32. Гормоны надпочечников, половые гормоны, простагландины и гормоны тимуса. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

1. Гормоны надпочечников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1732. Минералокортикоидные гормоны . . . . . . . . . . . . . . . .1763. Гормоны мозгового вещества надпочечников . . . . . .181

Список использованной литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

Доцент, к.м.н. Осипова О. В., Шустов А. В.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Завредакцией медицинской литературы: Е. Е. ДемченкоВыпускающий редактор: Ю. А. Громова

Корректор: Т. А. Серикова Технические редакторы: О.В. Куриленко, Е.Д. Серова

Компьютерная верстка: А. К. Черепанова

Формат: 84 × 108/32Гарнитура: «Таймс»