Юрий Кривенцев Биохимия доступным языком Учебник-репетитор Издательские решения По лицензии Ridero 2019 УДК 61 ББК 53 К82 Рецензенты: Николаев А. А., доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой биоорганической химии Астраханского государственного медицинского университета Бойко О. В., доктор медицинских наук, профессор кафедры зооинженерии и морфологии животных Астраханского государственного университета Шрифты предоставлены компанией «ПараТайп» К82 Кривенцев Юрий Биохимия доступным языком : Учебник-репетитор / Юрий Кривенцев. — [б. м.] : Издательские решения, 2019. — 120 с. ISBN 978-5-4496-9885-8 Публикация этой книги, написанной простым, доходчивым языком, жизненно необходима для студентов-естественников. Эта книга — квинтэссенция знаний по биохимии, без «воды», здесь только самое важное. Уверен, она поможет, разъяснит, разложит все по полочкам, откроет глаза. Покупать ли ее? Решайте сами. Можно пройти мимо и завалить сессию, можно регулярно платить репетитору, а можно один раз приобрести своего бумажного учителя, и вы убедитесь, что он далеко небесполезен. УДК 61 ББК 53 12+ В соответствии с ФЗ от 29.12.2010 №436-ФЗ ISBN 978-5-4496-9885-8 © Юрий Кривенцев, 2019 ОТ АВТОРА Привет, читатель! Публикация этой книги — вынужденная мера, направленная на значительное облегчение работы учащихся, постигающих основы биохимии. Я уже 26 лет преподаю этот предмет в университете и давно понял, насколько нуждаются студенты в подобном издании. Так сложилось, что слушатели российских вузов считают биологическую химию одной из самых трудных наук. Почему? Тут три причины. Во-первых, эта дисциплина совершенно нова для обучающихся (согласитесь, анатомия, физиология и др. знакомы им еще со школы, их учить легче). Во-вторых, биохимия — довольно абстрактная наука, для ее постижения следует тренировать воображение, логику. Ну, и в-третьих, большинство учебников по этому предмету написаны в заумном академическом стиле, понимание которого доступно далеко не каждому. Так что делать? Ответ прост — ОБЪЯСНЯТЬ простым доходчивым языком, на каждом занятии, на каждой лекции. Поверьте, это реально помогает, студенты начинают вникать, у них загораются глаза, они вдруг понимают, что биохимия вовсе не страшна, более того — интересна. С высоты своего опыта могу заявить, такой подход эффективен, это многократно доказано результатами экзаменов. Но всех не охватишь. Я работаю лишь в своих группах, на своем факультете. Конечно, этого мало, багаж наработанного годами начинает рваться наружу. Убежден, что публикация книги-репетитора по биохимии (без формул и уравнений, они есть в учебниках), написанной максимально простым, доходчивым языком, жизненно необходима как для моих подопечных (ведь одно дело — слова, которые можешь забыть, и совсем иное — готовые записи), так и для студентов любого вуза России, где преподают биологическую химию. Сказано — сделано. Книжка перед вами, уважаемые студенты. Это квинтэссенция знаний по биохимии, труд, в котором я 3 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ избавился от «воды», которой изобилуют учебники и оставил только самое важное, лишь то, что с вас будут требовать преподаватели. Поверьте, эта книжонка поможет, разъяснит, разложит все по полочкам, откроет глаза. Ориентирована она, в основном, на учащихся медицинских вузов, но будет полезна и другим. Предупреждаю, это издание — не панацея, хоть оно значительно упростит вашу работу, сделает предмет гораздо понятнее, но не полностью заменит ваш учебник. Открыв эту книгу, вам не надо будет читать нудные длиннющие тексты учебника, но вот графики и уравнения реакций придется брать именно оттуда (не переживайте, я укажу, что из письменного материала следует выучить, а что можно пропустить, как ненужное). Покупать ли ее? Решайте сами. Можно пройти мимо, и (не дай Бог) завалить сессию, можно регулярно платить репетитору немалые деньги, а можно один раз приобрести своего бумажного учителя, и вы быстро убедитесь, что он далеко небесполезен. Удачи в учебе! 4 ПЕРВЫЙ СЕМЕСТР ГЛАВА I БЕЛКИ Белки (синоним — протеины) — биологические полимеры, построенные из остатков аминокислот, соединенных друг с другом пептидной связью. Пептидная связь — ковалентная (следовательно — прочная), поэтому белковую нить не так уж легко порвать. Почему мы начинаем наш курс с белков? Да потому, что они — основа всего живого, белки и только белки (ферменты) обеспечивают все функции организма, саму суть жизни, из них построено наше тело. Да что говорить? Проще перечислить их функции (по мере их значимости): 1. Каталитическая (ферменты) — важнейшая; 2. Структурная (коллаген, альфа-кератины); 3. Транспортная (альбумин), в том числе и дыхательная (гемоглобин); 4. Защитная (антитела); 5. Регуляторная (белки-гормоны); 6. Сократительная (актин и миозин); 7. Буферная (гемоглобин); 8. Онкотическая (белки плазмы); 9. Резервная (белки плазмы). Обратите внимание, я не назвал энергетическую функцию. Почему? Напомню, энергию организм получает путем окисления вещества, его разрушения. Белки — самый ценный, дефицитный материал в природе и расщеплять их ради энергии нерационально, это все равно, что забивать гвозди микроскопом. 7 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ I. АМИНОКИСЛОТЫ Обратите внимание на мономер протеина — аминокислоту. Их множество, но ключевых всего два десятка. И формулы всех двадцати вам придется заучить. Чем раньше вы это сделаете, тем меньше будет проблем. Это необходимо, поскольку аминокислоты будут вас преследовать до конца курса биохимии. Без этого знания вы просто не сможете двинуться дальше (вспомните начальные классы школы: чтобы научиться читать, надо выучить все буквы, без этого — никак. Так и здесь). Подскажу, как легче учить формулы аминокислот, используя тот же системный (логический) подход. Вслушайтесь: «аминокислота». Значит, у этого вещества есть аминогруппа (NH2) и кислотная группа (СООН), между ними должен быть атом-связка (СН), куда ж без него? Эта тройная структура есть в каждой аминокислоте (кроме пролина). Выходит, все аминокислоты отличаются друг от друга лишь строением радикала, который крепится к атому-связке. Вот мы и выучили половину. Осталось запомнить только 20 радикалов. И тут уж постарайтесь. Важно знать классификацию аминокислот. Привожу ее ниже: 1. Гидрофобные: глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин1; 2. Гидроксиаминокислоты: серин, треонин; 3. Кислые: аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота; 4. Амиды: аспарагин, глутамин; 5. Основные: лизин, аргинин; 6. Серосодержащие: цистеин, метионин; 7. Ароматические: фенилаланин, тирозин; 8. Гетероциклические: триптофан, гистидин; Трехбуквенные обозначения аминокислот очень удобны и распространены. Они созданы на основе первых букв названия, например: гли — глицин, про — пролин, иле — изолейцин. Можете применять их даже на контрольной работе, преподаватели поймут (прим. автора). 1 8 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ 9. Иминокислоты: пролин. Замечу, подчеркнуты восемь незаменимых1 аминокислот. Знание этой классификации пригодиться, т. к. в контрольной по белкам и, особенно, на экзамене, часто встречаются вопросы, типа: «какая из перечисленных аминокислот является незаменимой?», или: «нарисуйте амидные аминокислоты» (сами понимаете, чтобы их изобразить, надо знать, что к этой группе относятся аспарагин и глутамин). II. ГЛОБУЛЯРНЫЕ БЕЛКИ По форме молекул белки подразделяются на: — глобулярные; — фибриллярные. Молекулы глобулярных белков в высшей структуре имеют сферическую форму. Они прекрасно растворимы в воде, что определяет их функциональную направленность. В естественном состоянии все глобулярные протеины находятся в растворенном состоянии: как внутри клеток, так и в различных биологических жидкостях организма. Глобулярные белки выполняют множество разнообразных функций. Они имеют четыре уровня структуры: 1. Первичная структура — линейная последовательность аминокислот, соединенных пептидными связями. Имеет вид нити. У нее два конца: N-конец (свободная NH2-группа) и С-конец (свободная СООН-группа). 2. Вторичная структура — пространственная укладка первичной цепи. Она имеет два вида: а) альфа-спираль — правозакрученная спираль цепи, фикси- Незаменимое вещество — органическое вещество, которое не синтезируется в организме, но жизненно необходимо. Следовательно, незаменимые вещества обязательно должны находиться в пище (прим. автора). 1 9 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ руемая водородными связями между группами СО и NН основной пептидной цепи. Эта форма характерна для белков человека и высших животных; б) бета-структура — несколько (до 6) параллельно расположенных пептидных цепей (направленных в обратные стороны относительно друг друга), соединенных между собой теми же поперечными водородными связями между СО и NН. 3. Третичная структура — укладка вторичной спирали в более компактную форму. Чаще это самая удобная форма в природе — шарик, по-латински — глобула. Не забывайте, что человек — ходячий водный раствор, и все его белки находятся в водной среде. Третичная форма — это округлое образование, все гидрофобные (нерастворимые) радикалы которой находятся внутри глобулы, скрыты от окружающей водной стихии, а гидрофильные, наоборот — торчат наружу, покрывая все тело глобулы (как иглы ежа), притягивая воду к себе, создавая плотную гидратную оболочку. Третичную структуру стабилизируют 4 вида связей: а) водородные — образуются между радикалами с участием водорода. Например: ОН-группа серина и азот гистидина; б) электрофильные — возникают между разнозаряженными частицами аминокислот. Пример: положительно заряженный лизин и отрицательная аспарагиновая кислота. Примечание: не стоит называть электрофильные связи — ионными, это грубая ошибка; в) гидрофобные — формируются между радикалами гидрофобных аминокислот (их список приведен в классификации); г) дисульфидные — единственный вид ковалентных связей в третичной структуре. Образуется между двумя остатками аминокислоты цистеин, формирующих мостик: S-S. 4. Четвертичная структура — характерна далеко не для всех протеинов (для большинства белков высшей структурой является третичная). Представляет собой объединение нескольких глобул воедино, их число всегда четное, от двух до нескольких тысяч. Такой белок называют мультимером (или олигомером), 10 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ а каждую из его глобул — протомером, или субъединицей. Связи четвертичной структуры: а) водородные; б) электрофильные; в) гидрофобные. Замечу, что все связи в третичной и четвертичной структурах образуются только между радикалами аминокислот. Таким образом, мы видим, что в белковой структуре имеются два вида ковалентных (прочных) связей: пептидная и дисульфидная и три вида нековалентных (слабых) связей: водородные, электрофильные и гидрофобные. Классическим примером мультимера является гемоглобин (Hb), молекула которого построена из 4-х протомеров, каждый их которых имеет в своем составе небелковую часть — гем, с ионом железа в центре. Именно гем отвечает за связывание и транспорт кислорода. Выделяют 4 основных типа гемоглобина: HbА1 — гемоглобин взрослого, его молекула построена из двух α- и двух β-субъединиц. На его долю приходится более 90% общего гемоглобина. HbА2 — минорный. 2 α и 2 δ частицы. 1% от общего Hb. HbF — фетальный (2 α, 2 γ). Является основным гемоглобином плода. HbP — эмбриональный (2 α, 2 ε). Преобладает у эмбриона. III. ФИБРИЛЛЯРНЫЕ БЕЛКИ Высшие структуры фибриллярных белков имеют форму длинной нити, они плохо растворимы в воде. Практически все они выполняют важнейшую структурную функцию. Иначе говоря, из фибриллярных белков построено наше тело. Классификация фибриллярных протеинов по строению: — α-фибриллярные белки (α-кератины); — β-фибриллярные белки (β-кератины); — белки коллагенового типа. 11 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ 1. α-фибриллярные белки (α-кератины) α-кератины являются основным структурным компонентом покровных тканей организмов позвоночных. На их долю приходится большая часть сухого остатка кожи и ее производных: волосы, ногти, когти, рога, копыта, иглы, панцирь, чешуя. а) Первичная структура имеет ряд особенностей: а) много аминокислот с гидрофобными радикалами. Поэтому α-кератины совершенно нерастворимы в воде; б) значительное количество цистеина; в) α-кератины спирализованы по всей длине, а т. к. пролин нарушают спирализацию, в их составе его нет. б) Вторичная структура α-кератинов — классическая α-спираль (см. выше). в) Третичную структуру этих протеинов можно рассмотреть на примере построения волоса. Три параллельно расположенных α-спирализованных цепи, с одинаковой направленностью жестко связаны друг с другом большим количеством поперечных дисульфидных связей (для этого и нужен цистеин). Триада спирализованных цепей полого закручиваются относительно друг друга, образуя суперспираль (протофибрилла). 2. β-фибриллярные белки (β-кератины) В организме позвоночных отсутствуют β-кератины. Эти белки характерны для чуждого нам мира организмов — членистоногих. Наиболее типичные примеры: фиброин шелка и кератин паутины. Основной отличительной особенностью построения подобных белков является β-структура. а) Первичная структура. В β-кератинах преобладают аминокислоты с маленькими, необъемными радикалами: глицин (до 50%), аланин и др. В составе фиброина шелка, например, 50% глицина. Пептидные цепи β-кератинов плотно прижаты друг к другу, что исключает присутствие крупных аминокислот. Благодаря такой компактности β-кератины являются самыми прочными волокнами в природе. в) Вторичная структура — классическая β-структура, описанная выше. 3. Фибриллярные белки коллагенового типа 12 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ Если α-фибриллярные белки лежат в основе построения покровных тканей позвоночных, а β-кератины в организме человека вообще отсутствуют, то протеины коллагенового типа являются основным строительным компонентом опорных тканей (соединительная ткань и ее производные: кости, сухожилия, связки, хрящи). Важнейшим компонентом соединительной ткани является коллаген. Это самый распространенный белок человеческого организма (1/3 от массы сухого остатка тела). Основная его функция — обеспечение механической прочности органов и тканей. а) Первичная структура — преобладают: глицин (до 33%), аланин (11%), гидроксипролин и гидроксилизин (21%). Стоит заметить, что гидроксипролин специфичен только для коллагена. б) Вторичная структура — тропоколлаген — 3 коллагеновых нити, объединенные в общую суперспирализованною частицу. в) Третичная структура — множество единиц тропоколлагена, соединенных в единое коллагеновое волокно ковалентными (эфирными лизин-лизиновыми) связями. Другим важным соединительнотканным протеином является эластин. Его структурная организация во многом схожа с коллагеновой, но имеется ряд существенных отличий. В первичной структуре очень мало пролина. Это объясняет высокую спирализованность эластиновых цепей во вторичной структуре. Следует отметить, что эти спирали, обеспечивающие высокую растяжимость, не имеют ничего общего с классическими α-спиралями. IV. БЕЛОК В РАСТВОРЕ Практически все глобулярные протеины прекрасно растворимы в воде. Факторы, удерживающие белок в растворе: а) Заряд белковой молекулы. Одноименно заряженные молекулы протеина, отталкиваясь друг от друга, не могут слипаться вместе и выпадать в осадок, что способствует их нахождению 13 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ в растворе. б) Гидратная оболочка. Как уже говорилось, поверхность глобулярного белка усеяна растворимыми радикалами, поэтому вокруг таких глобул образуется плотная водная оболочка, препятствующая слипанию и осаждению белка. Осаждение белка в водных растворах, как правило протекает в две стадии: агрегация белковых молекул и их выпадение в осадок. Этот процесс называют коагуляцией. Различные виды осаждения можно разделить на: 1. Необратимое. Чаще всего это денатурация — это необратимое разворачивание белка в первичную нить. Он теряет четвертичную, третичную и вторичную структуры. Понятно, что при этом белок лишается не только формы, но и всех своих функций и растворимости, но сохраняет аминокислотный состав. Причинами денатурации могут быть как физические (нагревание, радиация и др.) и химические (воздействие кислот, щелочей, солей тяжелых металлов, спиртов, эфиров, и т. д.). 2. Обратимое осаждение (коагуляция) характерно для: а) Изоэлектрического состояния — когда рН (кислотность) раствора нейтрализует заряд молекул белка, что неизбежно приводит к осаждению. При изменении кислотности в любом направлении растворимость протеина вновь восстанавливается за счет приобретения заряда. б) Высаливание — осаждение белка при добавлении солей щелочных металлов. Ионы солей стягивают гидратные оболочки белка и нейтрализуют его заряд. Оба фактора, удерживающих белок в растворе, исчезают, что приводит к обратимой коагуляции. Адсорбционная пептизация — вторичное растворение осажденного белка в избытке солей тяжелых металлов. Соотношение процессов денатурации и коагуляции белка неоднозначно. Возможны три варианта: — Денатурация с коагуляцией — возникают при кипячении в нейтральной, слабокислой или слабощелочной среде; — Денатурация без коагуляции — происходит в сильнокис14 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ лой или сильнощелочной среде: — Коагуляция без денатурации — характерна для высаливания или изоэлектрического состояния. 15 ГЛАВА II ФЕРМЕНТЫ Что может быть важнее ферментов (энзимов)? Любой биохимик ответит — ни-че-го. Если белки — самый значимый класс биологических молекул, то энзимы — ключевая группа белков (аналогия: белки — дворянство химического мира, ферменты — королевский двор). Жизнь — это, прежде всего — процесс, совокупность сложнейших функций, каждая из которых — набор биохимических реакций, и все эти реакции катализируют ферменты. Таким образом, энзимы — первейшая основа жизни. I. ФЕРМЕНТЫ, ИХ СТРОЕНИЕ, ИЗОФЕРМЕНТЫ 1. Общая характеристика Ферменты — биологические катализаторы. Это доказывает сходство ферментов и катализаторов: 1. повышают скорость химической реакции; 2. действуют в мизерных концентрациях; 3. не расходуются в ходе реакции; 4. не смещают химическое равновесие реакций. Но, поскольку все ферменты являются белками, существует ряд их отличий от неорганических катализаторов: 1. ферменты более активны; 2. они регулируемы; 3. работают только в узких рамках физиологических параметров (температура, рН и др., см. ниже); 4. ферменты специфичны. Рассмотрим подробнее типы специфичности ферментов: а) абсолютная: один фермент реагирует только с одним видом субстрата1 (обозначается — S) в реакции только одного ти16 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ па. Это самый распространенный тип специфичности, поэтому он не нуждается в примерах; б) относительная: 1 фермент — несколько субстратов — 1 реакция (пример: пищеварительные ферменты); в) стереоспецифичность: фермент работает только с одним из изомеров субстрата (пример: малатдегидрогеназа). 2. Строение сложных ферментов Замечу, что энзимы (как и все белки) делят на простые и сложные. Простые — их молекула построена только из аминокислот. Сложные — в их состав входит также небольшая небелковая часть. Рассмотрим подробнее строение сложных ферментов. Белковая часть их молекулы (бо̀льшая по размеру) — апофермент; небелковая — кофактор. Кофакторы делят на: а) кофермент — связан с апоферментом легко, нековалентно и поэтому может на время отходить от белковой части; б) простетическая группа — связана с апоферментом ковалентно, жестко. 3. Строение активного центра Активный центр — это рабочий орган фермента, с его помощью энзим и проводит реакцию катализа. В его состав входят аминокислотные последовательности и кофактор (у сложных энзимов). Активный центр построен из двух частей: а) контактная площадка — особая «выемка» в теле фермента, она выполняет две функции: во-первых, контакт с субстратом (S) и его удержание; во-вторых, она по форме и положению функциональных групп идеально сочетается с субстратом (и только с ним), следовательно, обеспечивает специфичность. Субстрат — так называют вещество, которое катализирует фермент (прим. автора). 1 17 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ б) каталитический участок — «сердце» энзима, именно он обеспечивает катализ, т. е. — ускорение реакции. Если фермент сложный, то его кофактор является тем самым каталитическим участком. 4. Аллостерический центр Если активный центр есть у каждого фермента, то аллостерический — лишь у избранных (о них я расскажу позднее), эту группу так и называют — аллостерические ферменты. Аллостерический центр не похож на активный и выполняет иную функцию — регуляторную. К нему могут специфически присоединяться только особые вещества — эффекторы (модификаторы), которые делятся на: активаторы (ускоряют работу энзима) и ингибиторы (замедляют). Таким образом, аллостерический центр можно сравнить с «выключателем», с помощью которого можно управлять ферментом (а, следовательно — и химической реакцией), т. е. подстегивать его работу или, наоборот, притормаживать. Повторю1, функция аллостерического центра — регуляция скорости химического процесса. 5. Изоферменты — разные формы одного фермента, немного различающиеся по строению, свойствам, но катализирующие одну и ту же реакцию. Единственный пример изоферментов, который вы должны знать — ЛДГ (лактатдегидрогеназа). Молекула этого белка построена из 4 субъединиц, каждая из которых может быть Н- или М-типа. Таким образом, мы видим, что получается всего 5 комбинаций, которые приведены ниже: ЛДГ-1 — построена из 4-х Н-протомеров (НННН). Содержит- В этой книге я повторяю только ту информацию, которую (судя по опыту) студенты усваивают с трудом (прим. автора). 1 18 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ ся, в основном, в сердце; ЛДГ-2 — НННМ (в сердце); ЛДГ-3 — ННММ (в почках и легких); ЛДГ-4 — НМММ (в печени); ЛДГ-5 — ММММ (в печени и скелетных мышцах). Эти изоформы имеют большое значение в медицине, как маркеры разрушения (деструкции) клеток. В норме, уровень ЛДГ в крови очень низок, но при массивной гибели клеток (некроз, инфаркт, агрессивное вирусное воспаление) повышаются отдельные изоформы. Например, при вирусном гепатите (болезнь печени) подскакивает уровень ЛДГ 4-й и 5-й изоформ. При инфаркте миокарда резко увеличивается концентрация ЛДГ 1-й и 2-й изоформ, которые находятся в сердце. Замечу, что при ишемической болезни сердца (ИБС, стенокардия) ЛДГ будет в норме; этот тест прекрасно помогает отличить ИБС от инфаркта (это важно, поскольку лечение при этих заболеваниях отличается). 6. Мультиферментные системы Надо помнить, что в нашем организме нет отдельных химических реакций, есть процессы — несколько последовательных реакций, выполняющих какую-то функцию. Если, к примеру, в процессе 6 реакций, значит его обеспечивают 6 видов ферментов. Все просто. Обычно эта группа энзимов беспорядочно взвешена (растворена) в цитоплазме, или иной жидкости, в такой системе нет выраженной последовательности. Но бывают и другие типы расположения ферментов: мультиферментная система — группа ферментов, катализирующих реакции одного процесса и жестко фиксированных (на мембране или органелле) в порядке следования реакций. Такой подход выгоден, т. к. сокращает время процесса (увеличивает скорость). Представьте, стоит субстрату связаться с активным центром первого фермента и он «попал», S уже не вырвется, он обречен перескакивать с одного активного центра на другой, пока не пройдет все превращения до последнего. 19 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ Примеры: мультиферментных систем: дыхательная цепь; пируватдегидрогеназный комплекс; альфа-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс. II. КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ 1. Кинетика ферментативных реакций Как правило, к этой теме студенты подходят с опаской. Их пугает раздутая математическая часть. А зря. Ведь 90% этого «ужаса» можно спокойно пропустить. Из письменного материала вам необходимо запомнить лишь три легчайших графика и одно уравнение. Если разобраться, это довольно простая, логически стройная, интересная тема. Итак, приступим. Кинетика — раздел физикохимии, изучающий скорость химических реакций и факторы, влияющие на нее. Разберемся с терминами. Энергия активации — минимальная энергия, необходимая для запуска реакции. Она количественно равна барьеру отталкивания между молекулами. Понятно: чем больше барьер (чем выше энергия активации), тем ниже скорость реакции. Значит, чтобы ускорить реакцию, надо понизить энергию активации (что и делают ферменты). Молекулярность — число, равное количеству молекул, участвующих в акте реакции. Пример: если в одном акте реакции участвуют две молекулы (скажем: щелочь и кислота), молекулярность равна двум. Молекулярность может иметь только следующие значения: 1, 2 и 3. Порядок реакций. В учебниках определение порядка дано настолько отвратительно, что 99% студентов не понимают его суть. Даю свое определение. Порядок — числовая величина, показывающая, от концентрации скольких веществ зависит скорость химической реакции. Как видите, все просто. Если скорость реакции зависит от концентрации двух веществ, порядок равен 2, если от одного — единице. Если порядок равен нулю, 20 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ это говорит о том, что скорость вообще не зависит от концентрации. Факторы, от которых зависит скорость реакции: 1. Концентрация реагирующих веществ; 2. Температура среды; 3. Давление (на ферментативные реакции не влияет); 4. рН; 5. Катализ. В изучении ферментов два из пяти факторов отбрасываем сразу: катализ (ферменты и есть катализаторы, что уж тут говорить?) и давление. Почему убираем давление? Из школьного курса вы помните, что давление влияет только на реакции в газовых средах, а энзимы, как вы уже поняли, живут и работают в водной среде (все биохимические процессы протекают только в водной фазе). Значит, давление не влияет на ферментативные процессы. Теперь разберемся по порядку с ключевыми факторами: 1. Концентрация реагирующих веществ В ферментативных реакциях реагирующее вещество, как правило, одно — субстрат (фермент не считается реагентом, т. к. он — катализатор). В простых реакциях эта зависимость описывается законом действующих масс (вспомните школу) — чем больше концентрация, тем выше скорость. С ферментами сложнее. Посмотрите на график: «Зависимость между скоростью ферментативной реакции и концентрацией субстрата…» в вашем учебнике. Мы видим, что при повышении концентрации S, вначале скорость растет почти линейно (реакция 1-го порядка), но, если мы будем добавлять все больше S, темпы роста скорости падают и, в конце концов, ее рост останавливается, выходит на плато, т. е. скорость больше не зависит от концентрации субстрата (реакция 0-го порядка). Почему так? Ответ прост: наступил момент, когда все молекулы фермента насыщены субстратом (который в избытке), а вступает в реакцию только тот S, который связан с энзимом, остальные молекулы S 21 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ пассивно висят в растворе и ждут своей очереди. Достигнута максимальная скорость. Бросьте в колбу хоть килограмм субстрата, скорость не изменится (повысить ее можно только одним способом — добавить еще фермента). Этот процесс описывает уравнение Михаэлиса-Ментен: v = vmax [S] / Km + [S], где vmax — максимальная скорость, [S] — концентрация субстрата, а Km — константа Михаэлиса (посмотрите, она есть на графике), это концентрация S, при которой скорость равна половине от максимальной. Все ферменты различаются по активности. Km — важнейшая характеристика, отражающая энергичность конкретного фермента. Чем она меньше, тем активнее фермент. 2. Температура среды — единственный фактор, который влияет на скорость всех, без исключения химических реакций. В обычной реакции зависимость линейная: чем выше температура (t), тем быстрее протекает процесс. Но у ферментов все не так. Посмотрите на график: «Влияние температуры на скорость катализируемой ферментом реакции…» в вашем учебнике. Мы видим, что при повышении t, вначале скорость реакции растет, но в какой-то момент она достигает пика и начинает резко падать до нуля. Это легко объяснить. Любой фермент — белок, и, как белок, он денатурирует (теряет активность) при сильном нагревании. Разве это сложно? Теперь о цифрах. В разных учебниках по биохимии на этом графике приводятся различные цифры (иногда они вообще отсутствуют), поэтому даю максимально приближенные к истине. Их всего две: оптимум (самая высокая точка графика) — 36,6 0С; полное ингибирование (когда кривая падает до 0) — 45 0С. Некоторые энзимы «выключаются» уже при 42 0С, поэтому на медицинских термометрах 42 0С — крайняя точка, температура, которую человек, как правило, не переживает. Это в очередной раз доказывает, что ферменты — основа жизни, и угнетение 22 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ даже одного из них чревато смертью. 3. Кислотность среды (рН) Энзимы очень чувствительны к изменению кислотности раствора, и при сдвиге рН в ту или иную сторону, они прекращают работать. Идеальной рН для подавляющего большинства ферментов является значение 7,4, хотя они способны функционировать в диапазоне от 6,5 до 8,5. Это показано на графике: «Влияние рН на скорость катализируемой ферментов реакции» в вашем учебнике. Есть исключения. К примеру, пепсин желудка активен в сильнокислой среде (рН 1,5—2,5), а аргиназа — в щелочной (рН около 10,0). Обратите внимание: гомеостаз, постоянство внутренних параметров организма, направлено на оптимальную работу его величества фермента, он первичен, что доказывает сказанное выше. Почему нормальная температура тела человека — 36,6 0С? Да потому, что именно в этих условиях большинство наших энзимов чувствуют себя великолепно. По этой же причине норма рН биологических жидкостей человека равна 7,4. 2. Механизм ферментативных реакций Еще в начале прошлого века Анри Михаэлис доказал, что в ферментативной реакции обязателен контакт фермента (E) и S, образование фермент-субстратного комплекса: E+S = ES = E+P (продукт), который играет ключевую роль в процессе. В ходе изучения этого вопроса, особого внимания заслуживают две теории механизма ферментативного катализа: а) Теория Фишера (теория «ключа» и «замка»; теория соответствия). Согласно Фишеру, субстрат идеально соответствует активному центру фермента, как ключ соответствует «личинке» своего замка. S входит в активный центр (АЦ), заполняя его. При этом все функциональные группы субстрата вступают в связь с соответствующими группами АЦ. Таким образом, соответствие является как пространственным, так и химическим. 23 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ б) Теория Кошленда (теория «руки» и «перчатки»; теория индуцированного катализа). По Кошленду, АЦ фермента не полностью соответствует субстрату (как лежащая перчатка не повторяет форму руки), но, как только S приближается к активному центру (рука к перчатке), тот «расправляется», приобретая нужную форму и вступая в связь с S. Мы видим, что в этом случае субстрат выступает как активный реагент, воздействующий на энзим. Какая же из этих теорий верна? Обе. Часть ферментов работают согласно версии Фишера, часть — по Кошленду. Современные представления о механизме ферментативного катализа Согласно современным данным, ферментативная реакция протекает в 4 стадии: 1) E+S = ES; 2) ES = EX; 3) EX = EP; 4) EP = E+P Как видно из схемы, субстрат не сразу становится продуктом реакции (Р), до этого он превращается в Х — переходную форму, где старые связи еще не разрушены, а новые уже начинают образовываться. Весь фокус в постепенности превращения. Нет резких переходов, есть плавное медленное «перетекание» от S к Р, через переходную форму Х. При этом нет нужды в трате больших количеств энергии (как, если бы вы, вместо того, чтобы надрываться, карабкаясь на 5-й этаж по стене, вы не торопясь поднялись бы по лестнице). Именно эта плавность и обеспечивает значительное снижение энергии активации и, следовательно — ускорение реакции. III. РЕГУЛЯЦИЯ ФЕРМЕНТОВ, КЛАССИФИКАЦИЯ 1. Виды регуляции а) Изменение количества фермента. Т. к. все энзимы — белки, они синтезируются также, как белки — на рибосомах, при участии м-РНК, под управлением ядра. Если клетка «хочет» уве24 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ личить концентрацию фермента, в ядре включается ген этого белка, образуется его м-РНК, которая идет в цитоплазму и запускает образование фермента на рибосоме. Если необходимо уменьшить количество Е, его ген блокируется. Как понимаете, этот вид регуляции запускается довольно медленно, но действует долго. б) Изменение активности фермента: — Химическая модификация (в т.ч. проферменты). Модификация — это изменение. Чтобы запустить или выключить фермент, к его молекуле присоединяются (или отщепляются) различные химические группы: фосфат, пептидные участки и др. Пример: профермент пепсиноген превращается в активный пепсин путем отщепления от него крупного пептидного фрагмента. — Аллостерическая регуляция — самый красивый и распространенный тип регуляции. Любой биохимический процесс состоит из нескольких последовательных реакций. Скорость всего процесса равна скорости лимитирующей (самой медленной) реакции. Эту реакцию (и только ее) катализирует аллостерический фермент (т. е. фермент с «выключателем»). Теперь вы понимаете, почему не все ферменты являются аллостерическими? Для каждого процесса достаточно одного такого энзима. Эволюционно так сложилось, что в каждом процессе исходные вещества являются активаторами аллостерического фермента, а продукты реакции — выключают (ингибируют) его. Это гармоничная система. Стоит процессу слишком разогнаться, он образует избыток продуктов, которые тормозят аллостерический фермент, а если процесс течет вяло, накапливаются исходные вещества, которые «подстегивают» его. Таким образом, процесс сам управляет собой, без внешнего вмешательства. Замечу, что во втором семестре вам часто придется сталкиваться с аллостерической регуляцией того или иного процесса, так что обратите особое внимание на этот вопрос. Это поможет. 2. Активаторы — вещества, стимулирующие работу фер25 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ ментов. Вот и все, собственно. И сказать-то нечего. Поэтому по данному вопросу преподаватель будет требовать примеры. Приведем их: Пепсин + соляная кислота — активируют пепсиноген; Колипаза + желчные кислоты — активируют липазу; Энтерокиназа — активирует трипсиноген; Трипсин — активирует химотрипсиногены и проэластазу. Распространенными активаторами многих энзимов являются ионы двухвалентных металлов: Mg2+, Mn2+, Zn2+, Co2+, Fe2+ и др. 3. Ингибиторы (обозначаются — I) — вещества, замедляющие работу ферментов. Ингибирование делят на необратимое, приводящее к денатурации (кипячение, радиация, кислоты, щелочи и др.) и обратимое, которое, в свою очередь, делят на: а) конкурентные I — имеют три особенности, причем, каждая из последующих является следствием предыдущей. Во-первых, молекула конкурентного ингибитора очень похожа на субстрат, во-вторых, он взаимодействует с активным центром энзима, втретьих, активность ингибирования зависит от концентрации: чем I больше, тем сильнее он подавляет реакцию. Поясню, бывает такое, что чужой ключ, волей случая, настолько сходен с вашим, что его можно вставить в замок, но провернуть не получится. Такие I, подобно S, связываются с АЦ фермента, временно выключая его из реакции. Предположим, что в растворе одинаковое количество I и S, тогда, примерно половина фермента будет связана с конкурентным ингибитором (т. е. — выключена из реакции). И только половина энзима будет работать с субстратом. Во сколько раз снизится скорость реакции в этом случае? Ответ очевиден — в два. Примером конкурентных I являются сульфаниламидные лекарства (норсульфазол, фталазол, бисептол и др.). Они конкурентно вытесняют субстрат — ПАБК1 бактерий из синтеза фоли- 1 ПАБК — парааминобензойная кислота (прим. автора). 26 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ евой кислоты, необходимой для их размножения. В результате колония микробов угасает, человек выздоравливает. Но следует помнить, что эти лекарства (будучи конкурентными) активны только в высоких концентрациях. Поэтому, при применении сульфаниламидов, в первый день пьют ударную дозу (чтобы достичь нужной концентрации), затем — поддерживающие. б) неконкурентные I имеют те же три особенности, только с противоположным знаком. Во-первых, их молекула не похожа на субстрат, во-вторых, она взаимодействует не с активным центром (чаще — с аллостерическим), в-третьих, активность ингибирования не зависит от концентрации, неконкурентные I активны даже в мизерных дозах. 4. Классификация ферментов по типу реакции: а) оксидоредуктазы — обеспечивают окислительно-восстановительные реакции. Примеры: дегидрогеназы, цитохромы, гидроксилазы; б) трансферазы — катализируют реакции переноса; в) гидролазы — самая распространенная группа, обеспечивает реакции гидролиза, распада. Примеры: пептидазы — расщепляют белок, гликозидазы — гидролизуют углеводы; г) лиазы — катализируют реакции отщепления с образованием двойной связи; д) изомеразы — проводят реакции изомеризации, т. е. изменения внутри молекулы; е) синтетазы (лигазы) — катализируют реакции синтеза, т. е. образования крупных молекул из более мелких. Важно: они работают только при обеспечении энергией (АТФ и др.). 5. Медицинская энзимология Энзимология — наука о ферментах. Медицинская энзимология имеет три направления: а) Энзимопатология — изучает энзимопатии — заболевания, связанные с нарушением работы фермента. Энзимопатии делят на приобретенные (панкреатит) и врожденные, примеры кото27 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ рых приведены ниже: Фенилкетонурия — поломка фермента1, обеспечивающего превращение фенилаланина в тирозин. При этом токсические продукты поражают мозг ребенка, вызывая слабоумие. Единственный способ борьбы с осложнениями — ограничивать употребление продуктов, содержащих фенилаланин. Алкаптонурия — отсутствие фермента, расщепляющего гомогентизиновую кислоту. Это пигмент, придающий темный цвет моче, а в запущенных случаях — кончикам ушей и носа. Альбинизм — поломка одного из ферментов, участвующих в синтезе меланина — покровного пигмента человека, защищающего кожу от ультрафиолета. У альбиносов бледная кожа, белые волосы и розовая радужка (из-за просвечивания сквозь нее сетчатой оболочки глаза). б) Энзимодиагностика — постановка диагноза с помощью ферментов. Имеет два направления: — Определение фермента в крови. В качестве примера рассказываете все об ЛДГ (см. выше). Этого достаточно. — Определение в крови другого вещества с помощью фермента, имеющегося в лаборатории. Пример — иммуноферментный анализ (ИФА). в) Энзимотерапия — лечение с помощью ферментов. Примеры: пищевые ферментативные препараты (Панкреатин, Фестал, Энзистал, Мезим, Креон и др.) — эффективны не только при лечении заболеваний ЖКТ, но и при банальном переедании; гиалуронидаза («Лидаза») — применяется для предотвращения разрастания рубцов; раствор трипсина — для очисти гнойных ран и т. д. Если в данной книге я не привожу конкретное название фермента, значит запоминание названия необязательно (прим. автора). 1 28 ГЛАВА III ВИТАМИНЫ Важнейшей группой незаменимых веществ являются витамины. Подтверждением их метаболической значимости служит вся история человечества, в процессе которой отмечались регулярные страшнейшие вспышки гиповитаминозов, уносившие десятки и сотни тысяч жизней. Цинга (скорбут) — гиповитаминоз С; чаще встречался в средних и полярных широтах, т. е. на тех территориях, где не так распространены овощи и фрукты, богатые витамином С. Цинга являлась тяжелейшим бичом российского народа на протяжении столетий. Нередко этот гиповитаминоз охватывал целые страны и группы стран. На пике вспышек летальность от этой патологии достигала 80%! Бери-бери — алиментарный недостаток витамина В1. Масштабы человеческих потерь от бери-бери были выше, чем от цинги, т. к. эта болезнь распространена в районах с высокой плотностью населения — южной и юго-восточной Азии (Индия, Бангладеш, Бирма, Китай, Индокитай, Индонезия, Япония и др.). Основным пищевым продуктом населения этих регионов является рис, который чаще употребляют в пищу в шелушенном виде, а содержание В1 в нем очень невелико. По разделу «Витамины» на кафедрах биохимии, как правило, проводят контрольную работу, вопросы в которой можно условно разделить на две подтемы: ключевые понятия о витаминах в общем (об этом речь пойдет ниже) и вопросы по конкретным витаминам (частная витаминология). Вопросов по частной витаминологии мы коснемся минимально, т. к. там нечего объяснять, надо просто сесть и выучить. Но пару советов на эту тему я дам. Дело в том, что раздел «Витамины» в учебниках по биохимии непомерно раздут (особенно в книге Т. Т. Березова), очень много «лишнего», чего нет в кон29 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ трольной. Каждому витамину отводится аж по 4—5 стр. Пусть вас это не пугает. Запомните, по любому из витаминов вам достаточно выучить всего пять фактов: 1) название; 2) формула; 3) биологическая роль — здесь не заморачивайтесь, биологическую роль я подробно дам ниже; 4) патология — название и очень краткое описание симптомов конкретного гиповитаминоза; 5) содержание в продуктах. Все! Согласитесь, не так уж и много. Остальное можете смело пропускать. Итак, с частной витаминологией закончили, переходим к общей. 1. Общие сведения В России изучению витаминов значительную роль уделили Н.И.Лунин и Н. Д. Зелинский. Первым витамином, полученном в чистом виде был тиамин (В1), который получил Казимир Функ в 1912 году и назвал это вещество «витамином». В дальнейшем, название конкретного вещества постепенно превратилось в наименование целой группы. Витамины — группа незаменимых органических веществ, присутствующих в клетках в очень малых концентрациях и обеспечивающих их нормальную жизнедеятельность. Согласитесь, не очень удачное определение, поэтому ниже перечислим критерии витаминов: а) Незаменимость. Классический витамин обязательно незаменим (не синтезируется в организме), поэтому должен присутствовать в пище в необходимых количествах. Здесь особо стоит отметить витамин Д, который способен синтезироваться в коже человека под действием ультрафиолета, но его недостаток в организме также вызывает серьезный гиповитаминоз. Следовательно, витамин Д, по сути, не является витамином. б) Витамины не выполняют энергетических или пластических функций. Они являются слишком «дорогим» материалом, чтобы просто расходоваться на подобные потребности. в) Коферментная роль — о ней скажу ниже. 30 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ 2. Витаминопатология Существует ряд паталогических состояний, причиной возникновения которых является изменение количества витаминов в организме. Наиболее значимыми из них являются следующие: Гипервитаминоз — заболевание, развивающееся в результате избыточного поступления витамина в организм. Важно: гипервитаминозы чаще встречаются при передозировке жирорастворимых витаминов (А, Д, Е, К). Это объяснимо: избыток водорастворимых витаминов легко выводится с мочой (т. к. это — водный раствор). Избавление от избытка жирорастворимых витаминов более сложно, т. к. эти вещества плохо растворимы в воде. При передозировке они быстро накапливаются в тканях, что приводит к токсическому эффекту вплоть до летального исхода. Гиповитаминоз — заболевание, развивающееся в результате недостаточного поступления витамина в организм. Авитаминоз — заболевание, развивающееся в результате полного нарушения поступления витамина в организм. Авитаминоз — теоретическое понятие, его не встретишь на практике, чего не скажешь о гиповитаминозах. Гиповитаминозы делят на две группы: а) Экзогенные (первичные, алиментарные). Они возникают при дефиците витамина в пище. Исторические гиповитаминозы, такие как цинга, бери-бери, пеллагра, рахит и др. принадлежат к этой группе. б) Эндогенные (вторичные) гиповитаминозы — развиваются по «внутренним» причинам, даже если количество витамина в пище соответствует норме. Их причины делят на три группы: — Заболевания ЖКТ1, приводящие к нарушению всасывания витаминов в кишечнике. Такое возможно при гастритах, дуоденитах, панкреатитах, желчнокаменной болезни, дискинезиях желчевыводящих путей и, особенно, при хронических энте- 1 ЖКТ — желудочно-кишечный тракт (прим. автора). 31 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ ритах. — «Перехват» вещества чужеродными организмами, когда витамин пищи просто не доходит до пациента. Такое происходит при дисбактериозе или глистной инвазии. — Повышенная потребность в витаминах. Подобное отмечается при беременности, кормлении грудью, усиленной физической нагрузке, тиреотоксикозе, истощении и др. Вопрос: зачем нужно делить гиповитаминозы на экзо- и эндогенные? Это объяснимо. В зависимости от этого зависит тактика их лечения. Особенностью терапии экзогенных гиповитаминозов является несоответствие тяжести заболевания и легкости его лечения. Трудно найти примеры других заболеваний, уносящих такое количество жизней, которые лечились бы так легко. Чаще, для полного выздоровления, достаточно назначение таблетированных витаминов. А вот в случае эндогенного гиповитаминоза таблетка не поможет, она просто не всосется. Эту патологию лечат инъекциями витаминов. 3. Биологическая роль витаминов Чем же объясняется такая высокая биологическая роль этих веществ? Подавляющее большинство витаминов (кроме Д и Е), поступая в организм, превращаются в соответствующие коферменты важнейших ферментативных систем. Таким образом, витамины, обеспечивая работу ферментов, лежат в основе практически всех жизненно важных процессов организма на молекулярном уровне. Самая распространенная группа вопросов в контрольной: «Какова биологическая роль витамина …?», В этом случае вы отвечаете следующим образом: данный витамин превращается в кофермент такой-то, который участвует в таких-то реакциях организма. Все. Привожу информацию по биологической роли основных витаминов в последовательности: название витамина — наимено32 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ вание его кофермента — биологическая роль: В1 (тиамин) — ТДФ — окисление пирувата и α-кетоглутарата В2 (рибофлавин) — ФМН, ФАД — биологическое окисление РР (никотиновая кислота) — НАД — биологическое окисление В5 (пантотеновая кислота) — КоА — перенос ацильных групп, взаимосвязь обменов В6 (пиридоксин) — Пиридоксальфосфат, пиридоксаминфосфат — трансаминирование и декарбоксилирование Н (биотин) — Биотин-коэнзим — карбоксилирование и транскарбоксилирование Вс (фолиевая кислота) — ТГФК — перенос одноуглеродных групп, рост и размножения клеток А (ретинол) — Ретиналь — акт светоощущения, защита эпителия D (кальциферол) — депонирование кальция и фосфатов К (нафтохиноны) — синтез протромбина, свертывание крови Е (токоферол) — антиоксидант В12 (кобаламин) — кроветворение С (аскорбиновая кислота) — синтез коллагена, антиоксидант Р (рутин) — укрепляет сосуды 33 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ 4. Антивитамины. Провитамины. Антивитамины — вещества, снижающие биологическую активность витаминов. По механизму действия эти соединения делятся на две группы: а) Конкурентные антивитамины — их строение очень сходно со структурой витамина. Таким образом, при достаточной концентрации они вытесняют кофермент-витамин из фермента. Пример: фтивазид — конкурентный ингибитор В6. б) Необратимые антивитамины — это белки, способные разрушать витамин. Пример: белок авидин расщепляет витамин Н. Очевидно, что при действии антивитамина на организм, развивается соответствующий гиповитаминоз. Провитамины — экзогенные органические соединения, способные превращаться в витамин внутри организма. Наиболее ярким примером является бета-каротин, являющийся провитамином А. Если витамин А содержится исключительно в животных жирных продуктах, то β-каротин — типичный компонент растительных плодов красно-оранжевого цвета. (морковь, свекла, перец, смородина и др.). Чем интенсивнее окраска, тем больше концентрация этого вещества в продукте. В клетках человека β-каротин претерпевает распад, превращаясь в ретинол. 5. Витаминоподобные вещества (витаминоиды) — это органические вещества, отличающиеся по механизму действия от витаминов, но при их недостаточном поступлении в организм развиваются патологические состояния, подобные гиповитаминозам. Ниже приведены примеры этих веществ в последовательности: витаминоид — его функция: Холин и инозит — пластическая роль, являются компонентами фосфолипидов В15 (пангамовая кислота) и витамин U — доноры метильных 34 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ групп ПАБК — провитамин фолиевой кислоты Кофермент Q и липоевая кислота — коферментная функция Ну и напоследок замечу: к контрольной следует выучить формулы всех витаминов, кроме В12, а также: формулы холина, инозита, ПАБК и липоевой кислоты. 35 ГЛАВА IV ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН I. ОСНОВЫ ОБМЕНА 1. Обмен веществ и энергии — совокупность энергетического и вещественного взаимодействия организма с внешним миром и сопутствующие им внутриклеточные процессы. Всю общность процессов обмена можно условно разбить на три составляющие: а) процессы поглощения вещества и энергии из окружающей среды; б) метаболизм — совокупность всех внутриклеточных (внутриорганизменных) биохимических процессов; в) выведение ненужных организму продуктов метаболизма во внешнюю среду, а также энергетические потери. Надеюсь, теперь вы поняли, что метаболизм и обмен — не одно и то же. Метаболизм представляет сложнейшую составляющую обмена, но является более узким понятием, включающим хоть и самую объемную, но только внутриклеточную часть обмена. Среди метаболических процессов выделяют: Анаболизм — совокупность всех реакций синтеза крупных органических субстратов из более мелких. Биологическая роль анаболизма — рост, обновление структур. Он превалирует при беременности, в детском возрасте. Все без исключения реакции анаболизма нуждаются в энергетических затратах (эндэргонические реакции). Катаболизм — совокупность внутриклеточных процессов распада. Если реакции синтеза требуют затрат энергии, то процессы катаболизма, наоборот, протекают с ее выделением, т. е. 36 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ являются экзергоническими. Следовательно, основной биологической функцией катаболических процессов является энергетическая функция. Это главный источник энергии для гетеротрофов. Индифферентные процессы — протекают без энергетического эффекта. Это самая большая группа биохимических реакций (трансферазные, изомеразные, обменные, ассоциативно-диссоциативные и др.). 2. Типы поглощения Как было сказано выше, структура обмена веществ представлена тремя суперсоставляющими: поглощение, межуточный обмен и выведение. И если процессы выведения и, особенно, метаболизма, будут подробно представлены в последующих разделах данного курса, то поглощение как афферентная часть обмена рассматривается в данной подглавке. Поглощение является единственным источником усвоения вещества и энергии из окружающей среды. Выделяют три типа поглощения: а) утилизация световой энергии (фотосинтез); б) дыхание; в) питание. По типу поглощения все организмы делят на: 1) Аутотрофы — усваивают энергию и вещества всеми тремя перечисленными способами. Их подразделяют на: фототрофы, для которых главный путь потребления энергии — свет (зеленые клетки растений, некоторые бактерии); хемотрофы — редчайшая группа, использующая энергию неорганических веществ; 2) Гетеротрофы — используют только дыхание и питание (животные, грибы, микроорганизмы). Причем органические вещества, получаемые в процессе питания, являются для них единственным источником внешней энергии. Градацию гетеротрофов мы разберем чуть ниже. 37 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ 3. Энергетический обмен Жизнь представляет собой равновесный динамический процесс стабильного движения энергии. Именно энергетическая составляющая обмена определяет суть существования жизни. Вам, как будущим медикам, белее интересны гетеротрофы (к которым относится человек). О них и поговорим. Для гетеротрофных организмов единственным внешним источником энергии является сила химических связей органических веществ, находящихся в пищевых продуктах. Перед гетеротрофами встает проблема извлечения этой энергии, а лучшим способом такого «раскупоривания» являются реакции распада, т. е. катаболические процессы (см. выше), наиболее эффективными из которых являются реакции окисления. По типу усвоения этой энергии, гетеротрофы делят на: Аэробы — извлекают энергию органических связей путем окисления при участии кислорода (дыхание); Анаэробы — подразделяются на: — факультативные — способны получать органическую энергию как анаэробным, так и аэробным способом; — облигатные — используют только бескислородные механизмы окисления. Более того, кислородная атмосфера для них смертельна. Преимуществом аэробного окисления является гораздо бо̀льший выход энергии. Пример: при полном аэробном окислении одной молекулы глюкозы образуется 36—38 молекул АТФ, тогда как при анаэробном окислении этого вещества синтезируется лишь 2 молекулы АТФ. Таким образом, мы видим, что в количественном плане, аэробный энергетический катаболизм гораздо эффективнее анаэробного, что определяет большую эволюционную прогрессивность организмов, использующих дыхание. 4. Питание Для человека (как и иных гетеротрофов) питание является основным типом поглощения. Именно питание дает нам боль38 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ шую часть вещества и всю энергию. В биомедицинском аспекте следует рассматривать качественный и количественный состав пищи, регулярное употребление которой способно обеспечить нормальный метаболизм человеческого организма. В качественном плане пища человека должна включать шесть необходимых компонентов: — белки; — липиды; — углеводы; — витамины; — минералы; — вода. Пища выполняет две основных функции: а) структурная. Здесь первую скрипку играют белки, поскольку наше тело построено преимущественно их этих веществ. Важна также роль фосфолипидов, образующих мембраны всех живых клеток; б) энергетическая. Роль главного источника энергии играют углеводы (4,1 кКал/г), по причине своей распространенности и легкости утилизации. Липиды (нейтральные жиры) также выполняют эту функцию, и хоть они более энергоемки (9,3 кКал/г), но являются «энергетиком №2» в силу вышеназванных причин. Рассмотрим количественный состав белков, липидов и углеводов. В пище человека нормальной считается пропорция: 1:1:4, т. е. на одну массовую часть белка должна приходиться одна часть жиров и четыре части углеводов. Общая калорийность (энергозапас) суточного рациона зависит от физической нагрузки и температуры окружающей среды и колеблется от 2800 до 4500 кКал/сут. На долю пищевого белка должно приходиться примерно 15% от общего калоража (80—160 г/сут). Не менее 50% этой массы белок животного происхождения. Липиды должны составлять около 30% от суточного калора39 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ жа (90—145 г/сут). Соотношение животных и растительных жиров 3:1. Углеводы составляют основную массу сухого остатка пищи. Большая их часть должна быть представлена естественными углеводными компонентами (овощи, фрукты, каши, серый хлеб и др.). Легкоусвояемые углеводы (сахар, кондитерские изделия, сдоба, макароны и др.) желательно свести к минимуму. Незаменимые компоненты пищи — вещества органического происхождения, не синтезирующиеся в организме, но необходимые для обеспечения его жизнедеятельности. Следовательно, они должны присутствовать в пище. Незаменимые пищевые компоненты можно разделить на три группы: а) витамины (см. гл. III); б) незаменимые (эссенциальные) жирные кислоты — их всего две: линолевая и линоленовая. Иногда их объединяют под термином «витамин F», хотя, исходя из критериев (см. гл. III), они ни коим образом не относятся к витаминам; в) незаменимые аминокислоты — вал, лей, иле, тре, лиз, мет, фен, три. Выделяют также условно незаменимые аминокислоты (арг, гис), которые синтезируются в организме человека, но в таких незначительных количествах, что должны присутствовать в пище (особенно у детей). II. ОСНОВЫ БИОЭНЕРГЕТИКИ 1. Терминология, строение митохондрий Ну что ж, разберемся, откуда берется энергия в организме человека. Сначала — основные понятия и их взаимосвязь. Энергетический обмен — совокупность всех энергетических процессов в организме, включающий: потребление, обмен и расход энергии (сокращенно — Э). Подобно обмену веществ, он состоит из трех процессов: получение энергии (афферентная часть), внутриклеточные превращения Э и потери Э; 40 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ Биологическое окисление — первая, афферентная часть энергетического обмена, включающая процессы катаболизма с выделением энергии; Тканевое дыхание — кислородная часть биологического окисления, протекает в митохондриях. На ее долю приходится более 90% биологического окисления. Как видите, каждое последующие понятие является частью предыдущего (самое широкое — энергетический обмен, самое узкое — дыхание), т. е., они соотносятся между собой, как матрешки, находящиеся внутри друг друга. Суть и строение митохондрий Митохондрии — главные дыхательные органеллы, энергетические станции клетки, синтезирующие АТФ1. Основные компоненты митохондрий: а) Внешняя мембрана — отделяет пространство митохондрии от цитоплазмы, ее основная функция — ограничивающая; б) Внутренняя мембрана — сложная структура, образующая многочисленные складки и выпячивания (кристы), увеличивающие ее поверхность. На ней фиксированы дыхательные цепочки (о них — ниже) и АТФ-аза, т. е. структуры, отвечающие за синтез АТФ; в) Межмембранное пространство — щель между внешней и внутренней мембраной, участвующая в синтезе АТФ путем формирования потенциала рН; г) Матрикс — центральная часть митохондрии, окруженная внутренней мембраной, в нем расположены ферменты главных окислительных процессов: цикла Кребса, окисления глицерина, бета-окисления. Матрикс подобен топке: в нем окисляются, «сгорают» органические вещества (как правило: углеводы и жиры), высвобождая огромное количество энергии, примерно 50% которой рассеивается в виде тепла, а вторая половина улавливает- АТФ (аденозинтрифосфат) — главный аккумулятор и переносчик энергии в клетке (прим. автора). 1 41 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ ся компонентами дыхательной цепи и, таким образом — идёт на образование АТФ. Некогда (в архейскую. эру), далекие предки митохондрий были самостоятельными организмами, бактериями, паразитировавшими внутри одноклеточных. В какой-то момент они «научились» дышать, т. е. образовывать огромное количество АТФ путем окисления с участием О2. Забирая органику, избыток АТФ они отдавали клетке-хозяину. Так паразитизм превратился в самый глобальный пример симбиоза. За миллиарды лет эти создания упростились, редуцировались до органелл, хотя митохондрии до сих пор имеют свидетельство бывшей самостоятельности — собственный геном (ДНК). 2. Дыхательная цепь (цепь переноса электронов, ЦПЭ) — фундаментальная мультиферментная система, обеспечивающая превращение выделенной в матриксе энергии в энергию АТФ. К сожалению, ни в одном учебнике или пособии я не нашел 42 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ нормальную схему ЦПЭ, поэтому предлагаю свою, упрощенную: Как видите, любой пищевой субстрат (глюкоза, глицерин, жирная кислота и др.), сгорающий в матриксе, отдает свою энергию (в виде электронов (ē) и Н+) на дыхательную цепь, имеющую целую серию посредников (НАД, ФАД, коэнзим Q, цитохромы b, c, c1, aa3). По пути к кислороду, в дыхательной цепи имеется три выплеска энергии, которые (как указано на схеме) идут на синтез трех молекул АТФ. Коэффициент Р/О — среднее число АТФ, образующееся в дыхательной цепи за один проброс. Как видно из схемы, это число должно быть равно трем. В действительности — чуть ниже, но стремится к 3. Это объясняется тем, что не все субстраты начинают окисляться с НАД, есть такие (пример — сукцинат), которые минуют первый этап и отдают свою энергию сразу на ФАД. Как видите, в этом случае первая АТФ теряется, образуются лишь две молекулы. Запомните (это пригодится во втором семестре), в митохондриях НАД. Н дает 3 АТФ, ФАД. Н2 — 2 АТФ. 3. Синтез АТФ Пусть вас не пугает непонятный термин «фосфорилирование», этим словом часто обозначают образование АТФ. Выделяют два типа синтеза АТФ: а) Субстратное фосфорилирование — АТФ образуется непосредственно в реакции (самый простой и древний способ, возникший с появлением жизни); б) Окислительное фосфорилирование — двойной процесс, состоящий из сопряженных между собой окисления органики в матриксе и синтеза АТФ на внутренней мембране, в дыхательной цепи (см. выше). Этот процесс более эффективен, чем субстратный синтез. Немудрено, что большая часть АТФ в организме образуется этим путем. Различить эти два процесса на бумаге очень легко. Если перед вами уравнение реакции, в правой части которого образуется АТФ — это субстратное фосфорилирование, если в пра43 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ вой части вы видите образование НАД. Н, или ФАД. Н2 — окислительное. Химиоосмотическая теория Митчелла В 1961 г. англичанин Питер Митчелл вывел гипотезу, объясняющую механизм синтеза АТФ в митохондриях. В большинстве учебников этот вопрос дан не совсем понятно. Попытаюсь объяснить попроще. Для начала найдите в своем учебнике рисунок: «Механизм образования АТФ согласно химиоосмотической гипотезе». Теперь слушайте. Как вы уже знаете, окисляясь в матриксе, субстрат отдает электроны на дыхательную цепь, двигаясь по которой, они выделяют энергию, которая идёт на перекачку Н+ из матрикса в межмембранное пространство (сквозь внутреннюю мембрану). В ходе процесса, в этом пространстве накапливается избыток Н+, т. е. положительный заряд, а в матриксе — отрицательный. В результате разности потенциалов, Н+ вновь стремятся назад, в матрикс, чтобы вернуть прежнее равновесие. Они продираются через тонкие каналы фермента АТФ-азы (которые соединяют эти два пространства), попутно возбуждая этот фермент. Возбужденная АТФ-аза превращает АДФ + фосфат в АТФ. Вот и все. Цикл Кребса. Как вы заметили, мы начали с конца — с синтеза АТФ (так удобнее для восприятия), а теперь вернемся к процессам окисления в матриксе, что дают энергию для всего этого. Важнейший окислительный процесс (не только в матриксе, но и в организме в целом) — цикл Кребса (цитратный цикл, цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), цикл лимонной кислоты…), открытый Х. А. Кребсом в середине прошлого века. Это ключевой процесс распада, в который, как в воронку водоворота, стекаются все катаболические пути. Это главный механизм получения энергии гетеротрофами. ЦТК выполняет не только энергетическую функцию, но и функцию центрального процесса взаимосвязи обменов. Цикл Кребса состоит из 8 последовательных реакций. Обязан предупредить: все восемь вам при44 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ дется выучить (они есть в вашем учебнике). Вы должны знать, сколько энергии дает цитратный цикл. Давайте разберем его энергетический баланс (напомню: НАД. Н — 3 АТФ, ФАД. Н2 — 2): 3-я, 4-я и 8-я реакции: 3 НАД. Н = 3х3 = 9 АТФ; 5-я реакция: 1 ГТФ — идентично 1 АТФ; 6-я реакция: 1 ФАД. Н2 = 2 АТФ; ВСЕГО = 12 АТФ 4. Регуляция и патология дыхания Регуляция дыхания включает два аспекта: физиологический и молекулярный: а) Дыхательный контроль — изменение интенсивности дыхания в зависимости от соотношения: АТФ/АДФ по принципу обратной связи. Тут все просто, поскольку именно дыхание снабжает организм энергией, следовательно, избыток АТФ (носителя Э) будет тормозить интенсивность дыхания, а избыток АДФ (его антагониста) — стимулировать. б) Молекулярная регуляция ЦТК. Вы уже знакомы с системой аллостерического управления. В координации работы цикла Кребса те же принципы: лимитирующей является реакция №3, следовательно, аллостерический фермент — №3 — изоцитратдегидрогеназа. Он ингибируется избытком АТФ и НАД. Н (как косвенных продуктов процесса), а активируется АДФ и НАД. Разобщение — процесс, при котором окислительная энергия (матрикс) идет не на синтез АТФ (внутр. мембрана), а рассеивается в форме тепла. Разобщение не бывает полным (это повлекло бы мгновенную смерть). Для этого процесса характерны два ярких признака: коэффициент P/O снижается, а теплопродукция повышается. Типы разобщения: — Токсическое — при отравлении разобщающими ядами (2,4-нитрофенол); — Физиологическое — при замерзании, способствует согреванию за счет усиленной теплопродукции. 45 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ Гипоксия — патологическое состояние, при котором отмечается общая нехватка кислорода в организме. Классификация гипоксий: 1) экзогенная — возникает при снижении уровня О2 во внешней среде (пожар, закрытые помещения, высокогорье); 2) Эндогенная — возникает в результате нарушений функций организма. Делят на: а) дыхательная: — респираторная — в результате дисфункции дыхательных путей (инородное тело, удушение, бронхиальная астма); — легочная — при поражении паренхимы легких (пневмония, туберкулез); б) гемическая: — анемическая — при значительном снижении гемоглобина, ответственного за транспорт кислорода (анемии); — циркуляторная — возникает при тяжелых поражениях сердца приводящих к сердечной недостаточности; в) тканевая — при нарушении дыхательных процессов на уровне митохондрий (отравление цианидами, сероводородом). Не следует путать гипоксию с ишемией — местным дефицитом О2 в конкретной ткани. 5. Микросомальное окисление Львиная доля вдыхаемого нами кислорода идет на энергетические процессы, описанные выше. Но какая-то часть тратится на иные нужды — микросомальное окисление. Этот процесс протекает в эндоплазматической сети (не в микросомах, таких органелл нет) печени и надпочечников. Основные ферменты: диоксигеназы (присоединяющие 2 атома кислорода) и более распространенные монооксигеназы (гидроксилазы), образующие гидроксильную группу на основе одного атома кислорода. Цепь микросомального окисления (см. учебник) немного напоминает ЦПЭ, но значительно короче. Ее основное назначение — предотвращение образования перекисных свободных ра46 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ дикалов в ходе этого процесса. Функции микросомального окисления: а) Синтез веществ, содержащих кислород (адреналин, холестерин и др.). б) Дезинтоксикационная функция печени — ключевую роль в этом процессе играет главный фермент микросомального окисления: цитохром Р-450. Полезнейшее свойство этого белка — способность повышать свою концентрацию при регулярном попадании яда в организм. Это способствует активной борьбе с интоксикацией. Подробнее о дезинтоксикации — в конце второго раздела (семестра). 47 ГЛАВА V МАТРИЧНЫЕ БИОСИНТЕЗЫ I. СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ I. Азотистые основания — основная составляющая нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), именно они являются хранителями наследственной информации. Существуют множество азотистых оснований, но главных всего пять. Два пуриновых: аденин (далее — А), гуанин (Г) и три пиримидиновых цитозин (Ц), тимин (Т, характерный для ДНК), и урацил (У, встречающийся только в РНК). Чтобы легче выучить формулы азотистых оснований, надо усвоить несколько простейших правил: — в шестиугольном цикле (и у пуринов, и у пиримидинов) всегда 2 атома N (в нижнем углу и в верхнем боковом); в пятиугольном — тоже 2 (вверху и внизу); — в шестиугольнике всегда 3 двойных связи (включая двойные связи у кислорода); двойные связи чередуются с одинарными. Лактим-лактамная таутомерия (схема дана в учебнике) — характерна для всех азотистых оснований, кроме аденина. Ее суть: водород от азота мигрирует к кислороду, а двойная связь от кислорода — к азоту, затем наоборот, до бесконечности. Минорные1 основания — группа из нескольких десятков азотистых оснований, не относящихся к 5 главным, встречаю- Запомните это прилагательное, которое часто употребляют в медицине. «Минорный», значит — не основной, редко встречающийся (прим. автора). 1 48 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ щихся значительно реже и отличающихся наличием одной или нескольких метильных групп — СН3. Минорные основания присутствуют только в РНК (до 15%), делая эту молекулу более устойчивой к повреждениям. Не стоит учить такую массу формул. Есть более простой способ. По учебнику запоминаете нумерацию атомов в цикле пурина (от 1 до 9) и пиримидина (от 1 до 6). Далее — совсем просто. Допустим, вас просят нарисовать минорное основание 3-метил-цитозин. Рисуете знакомый вам цитозин и, в 3-м положении, пририсовываете –СН3 (не забыв убрать один Н у азота). Все! б) Нуклеотиды — мономеры (составные единицы) ДНК и РНК. Проблема в том, что сам нуклеотид построен из трех составных частей (см. учебник): азотистого основания, пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и фосфата. Надо научиться соединять их. Пентоза соединяется с основанием N-гликозидной связью, через кислород. Т. е., первый (по нумерации) атом С рибозы соединяется с первым азотом у пиримидинов, или с 9-м N у пуринов. Фосфат всегда присоединяется к рибозе через группу -О-СН2- (5-й атом). Причем, фосфатных остатков может быть от 1 до 3. Это отображается в названии. Нуклеотиды имеют трехбуквенные сокращенные обозначения. Пример: ГМФ — гуанозинмонофосфат: гуанин — рибоза — фосфат; ЦТФ — цитидинтрифосфат: цитозин — рибоза — три фосфата. Как вы заметили, в этом случае пурины имеют окончание «озин», пиримидины — «идин». II. Структура ДНК Первичная структура. Здесь опять обращаемся к схеме в учебнике. Вы видите, что азотистые основания не участвуют в образовании первичной структуры. Она формируется фосфодиэфирными связями между фосфатными остатками и пентозой. Причем, предыдущий фосфат крепится к 5-му атому пентозы, а последующий — к 3-му. Собственно, этим все сказано. Здесь главное — понять принцип соединения. Советую серьезно потренироваться дома. Таким образом, любая цепь (и ДНК, и РНК) 49 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ имеет два конца: 5-конец и 3-конец. Все знают, что в ДНК зашифрован геном. Но что это такое. Удивительно, но практически вся генетическая информация, это запись строения первичной структуры всех белков организма. И ничего более! Этот факт подтверждает то, что именно белки обеспечивают жизнь, как таковую, до последнего процесса. Достаточно, опираясь на информацию в ДНК, синтезировать первичную структуру белка, как она автоматически приобретает лишь один (самый выгодный из миллионов) вариант вторичной, третичной и четвертичной структуры (процесс самосборки структур белка называют фолдинг). Таким образом, первичная структура белка зашифрована в ДНК, а в первичной белковой последовательности закодированы остальные высшие структуры, обеспечивающие все функции живого. Вторичная структура. Ее открытию предшествовало выведение правил Чаргаффа: 1) Количество пуринов равно количеству пиримидинов (А+Г=Е+Ц); 2) А+Ц=Г+Т; 3) А=Т, Г=Ц. Коэффициент специфичности: Г+Ц/А+Т У прокариот: 0,45—2,57; у эукариот: 0,54—0,94. Вторичная структура — двойная спираль антипараллельных цепей ДНК (открытая Дж. Уотсоном и Ф. Криком в середине прошлого века), в которой две первичных последовательности бережно окутывают главную ценность — находящиеся внутри азотистые основания, соединенные в поперечные пары по принципу комплементарности: А-Т (2 водородных связи); Г-Ц (3). На один виток спирали приходится 10 пар. В данном положении носители генома (азотистые основания) полностью защищены двумя фосфопентозными шлейфами от внешнего воздействия. Поэтому повреждения (мутации) в этом состоянии невозможны (они происходят только при раскручивании спирали ДНК в процессе репликации или транскрипции). Третичная структура (данный вопрос в учебнике отсутствует) — компактное сворачивание спирали, образующее нуклеосомы — конденсация ДНК с восемью глобулами белков гистонов типа: Н2а, Н2b, H3, H4 (каждый — по 2), перемежающиеся спей50 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ серами — свободными фрагментами ДНК, защищенными гистоном Н1 III. РНК Если ДНК — хранители генетической информации, то РНК — ее реализаторы. Выделяют 3 основных типа: м-РНК (и-РНК) — 3% от общего количества РНК в клетке. Выполняет функцию переноса генетической информации о белке от ДНК к месту его синтеза — рибосоме; т-РНК (15%) — ее функция — не транспортная, как думают многие (аминокислота и без ее помощи дойдет до рибосомы). тРНК — это адаптер (переходник), переводящий генетический код в код аминокислотной последовательности; р-РНК (более 80%) — ее функция — структурная. р-РНК входит в состав рибосом (до 50% от общего веса). Вот почему этих молекул так много в клетке. Обратите внимание, по этой теме вас ждет контрольная работа. Удивительно, но для того, чтобы справиться с ней, достаточно знать формулы всего семи несложных веществ: аденина, гуанина, цитозина, тимина, урацила, рибозы и фосфатного остатка. Чего уж проще? Но это не все. Главное — научиться связывать названные молекулы в нуклеотиды, а нуклеотиды — в первичную цепь ДНК. Все это прекрасно дано в ваших учебниках. Дерзайте! II МАТРИЧНЫЕ БИОСИНТЕЗЫ I. Вводные понятия Движение генетической информации. В это смысле выделяют три объекта: ДНК (хранитель), РНК (реализатор), белок (конечная цель). Возможны следующие типы движения: — репликация — передача информации от ДНК к ДНК; — транскрипция — от ДНК к РНК; — трансляция — от м-РНК к белку (синтез белка на рибо51 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ соме); — РНК-репликация — от РНК к РНК (типично для РНК-вирусов); — обратная транскрипция — от РНК к ДНК (характерно для ретро- (онко) вирусов). Свойства генетического кода (постулаты Ф. Крика): 1) триплетность — 1 аминокислота кодируется последовательностью из трех азотистых оснований — триплетом (кодоном); 2) вырожденность — поскольку комбинаций активных триплетов — 61, а аминокислот всего 20, следовательно, каждая из аминокислот (кроме метионина и триптофана) кодируется несколькими триплетами. При этом у кодонов, определяющих одну и ту же аминокислоту, первые два основания фиксированы, а третье положение может занимать одно из четырех разных оснований. 3) специфичность — каждый кодон соответствует только одной аминокислоте; 4) универсальность — все живые организмы — эукариоты, прокариоты и вирусы — используют один и тот же код: 5) неперекрываемость и непрерывность — один и тот же нуклеотид не может входить в два рядом расположенных триплета одновременно, триплеты идут непрерывно, без разрывов; 6) линейность и однонаправленность — полагаю, не требует объяснений. Белоксинтезирующая система — набор факторов, необходимых для синтеза белка. В него входят: рибосома; м-РНК; аминокислоты (20 видов); т-РНК (20 видов); аминоацил-т-РНК-синтетаза (20 видов); АТФ и ГТФ; факторы синтеза; ионы магния. Стадии синтеза белка: 1) Ядерная — транскрипция (иногда и репликация); 2) Цитозольная: а) активация аминокислот; б) трансляция. У эукариот репликация каждой ДНК идёт сразу в тысячах точек репликации одновременно. Это экономит время. 52 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ II. Механизм биосинтезов 1. Репликация — удвоение цепи ДНК, в широком смысле — удвоение генома. Происходит исключительно при делении клеток. Репликация протекает полуконсервативным путем (консервативного пути нет, он невозможен даже теоретически, это всего лишь ошибочная версия) и имеет три стадии: а) Инициация (начало, см. рис. репликативной вилки в вашем учебнике) — начало процесса. Под действием хеликазы происходит разрыв водородных связей и частичное раскручивание рукавов двойной спирали — образование вилки. DSSбелки удерживают ДНК в раскрученном состоянии, топоизомераза предотвращает образование антивитков при дальнейшем раскручивании. Альфа-ДНК-полимераза образует в начале цепей праймер (малую последовательность РНК) — стартовую затравку для дальнейшего синтеза ДНК. б) Элонгация (удлинение) — собственно удвоение ДНК. Основным ферментом этого процесса является ДНК-полимераза. Выделяют 5 ее типов: — Альфа — синтезирует праймер; — Бета — заменяет праймер на участок ДНК; — Гамма — обеспечивает репарацию; — Дельта и эпсилон — отвечают за репликацию. Именно эти два типа обеспечивают удвоение цепи ДНК, прикрепляясь к праймеру и подстраивая нуклеотиды напротив старой цепи по принципу комплементарности, создавая, таким образом, антикопию цепи матрицы. Т. к. движение синтеза идёт только в одном направлении: от 5 к 3 концу, а направление цепей противоположно друг другу, следовательно, цепи в паре неравнозначны. Лидирующая цепь — та, где движение ДНК-полимеразы идет от конца, непрерывно; Отстающая цепь — та, где синтез идёт в противоположном направлении. Как только участок цепи заканчивается, ДНК-полимераза крепится к новому праймеру вновь раскрученного участка ДНК, и все начинается сначала. Таким образом, на отстающей цепи синтез идёт прерывисто, образуя фрагменты Оказаки. 53 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ Источником синтеза являются нуклеозидтрифосфаты (АТФ, ГТФ, ЦТФ и ТТФ), которые являются не только строительным материалом, но и несут энергию для синтеза. в) терминация (окончание, вспомните терминатора, пытавшегося окончить жизнь Сары Коннор) — когда удвоение ДНК закончено, бета-ДНК-полимераза разрушает все праймеры, достраивая эти места соответствующими участками ДНК, а ДНКлигазы склеивают отдельные фрагменты в единую цепь ДНК. 2. Транскрипция — переписывание генетической информации с ДНК на РНК. В этом процессе образуются все три типа РНК, но в плане синтеза белка, нас интересует м-РНК. Фрагмент ДНК, подвергающийся «переписыванию», называется транскриптон (оперон), он построен из последовательно расположенных участков: промотор (место, куда крепится РНК-полимераза), оператор (о нем будет сказано позднее), ген (главный фрагмент, несущий информацию о конкретном белке), терминатор (участок, заканчивающий транскрипцию). Существует 3 типа РНК-полимераз: — РНК-полимераза I — синтез р-РНК; — РНК-полимераза II — синтез м-РНК; — РНК-полимераза III — синтез т-РНК и 1-го вида р-РНК Стадии репликации: а) Инициация — идентична таковой в репликации. Разница лишь в том, что раскручивается лишь небольшой участок ДНК. б) Элонгация — протекает по тем же принципам, что и элонгация репликации. Разница лишь в ферментах (РНК-полимераза вместо ДНК-полимераз). в) Терминация — транскрипция заканчивается, когда полимераза достигает терминатора и соскакивает с него. г) Постранскрипционный процессинг — «дозревание» синтезированной м-РНК. Первичная м-РНК имеет в своем составе как нужные участки — экзоны (несущие информацию о белке), так и бесполезные — интроны, копию промотора, оператора… Все ненужные части проходят рестрикцию — вырезание с помощью рестриктаз и разрушение эндонуклеазами. Оставшиеся экзоны 54 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ претерпевают сплайсинг — склеивание ДНК-лигазами в единую цепь. Образовавшаяся вторичная м-РНК нуждается в защите от агрессивной среды цитоплазмы. Это обеспечивается присоединением к ее 5-концу «кэпа1», а к 3-концу — поли-А — последовательности из 100—200 нуклеотидов А. После этого м-РНК готова двигаться к рибосоме. 3. Репарация — процесс исправления повреждений в ДНК. Она основана на том, что ДНК — двухцепочечная молекула, если одна последовательность повреждается, информацию можно восстановить по второй, комплементарной цепи. Как сказано выше, этот процесс осуществляет гамма-ДНК-полимераза. Репарация имеет следующие этапы: а) выявление нарушений ДНК; б) устранение «неправильных» нуклеотидов; в) восстановление целостности цепи по принципу комплементарности. Благодаря репарации процент реализованных мутаций так мал. Обратите внимание: если повреждаются обе цепи ДНК — репарация невозможна. 4. Синтез белка на рибосоме — этот процесс имеет две стадии: активация аминокислот (которой касаться не будем, она прекрасно описана в ваших учебниках, не забудьте выучить обе реакции этого процесса) и собственно синтез белка — трансляция. Ниже приведении ее фазы: а) Инициация. м-РНК, кодирующая нужный белок, крепится своим стартовым кодоном АУГ (этот триплет, кодирующий метионин, является начальным практически для всех белков) к малой субчастице рибосомы. К ней же крепятся т-РНК с метионином (начальная аминокислота), ГТФ и факторы инициации2. Затем, Кэп — по-английски — кепка, его функцию выполняет 7-метилгуанозин (прим. автора). 2 Не стоит корпеть над заучиванием многочисленных факторов иници1 55 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ за счет энергии ГТФ, присоединяется большая субчастица рибосомы. Образование инициаторного комплекса закончено. б) Элонгация — рост цепи белка. Если в инициации основную роль играла малая субчастица рибосомы, то в элонгации — большая. В ней имеются два активных центра: аминоацильный (далее — А-центр) и пептидильный (П-центр). Элонгация начинается с присоединения т-РНК-метионин к стартовому кодону м-РНК в П-центре. В А-центр проникает следующая т-РНК (в соответствии со следующим кодовым триплетом м-РНК), несущая очередную аминокислоту. Фермент пептидилтрансфераза соединяет метионин с аминокислотой №2, образуя первую пептидную связь зарождающегося белка. Далее, пептидилтранслоказа (использующая энергию ГТФ и факторы элонгации) переносит образовавшийся комплекс в П-центр. В освободившийся А-центр входит т-РНК, несущая очередную. аминокислоту (кодируемую триплетом №3 м-РНК) и цикл повторяется. в) Терминация — завершение синтеза белка. происходит, когда в А-центре оказывается один из терминирующих триплетов м-РНК: УГА, УАА, УАГ. В этом случае, напротив этого кодона становится не т-РНК, а один из факторов терминации, что приводит к обрыву синтеза. Новая молекула белка отделяется от рибосомы. г) Посттрансляционный процессинг. Новорожденная белковая молекула еще не готова к работе. Она должна пройти своеобразное дозревание. которое можно разбить на две составляющие: — химическая модификация — сразу после синтеза многие протеины претерпевают изменения. С одной стороны, это присоединение активных групп (коферментов, остатков фосфата, метила, ацетила, некоторых металлов (пример: гемоглобин пре- ации, элоншации и терминации. Ни один адекватный преподаватель биохимии не требует этих знаний (пим. автора). 56 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ вращается в таковой только после присоединения Fe2+). С другой стороны — удаление ненужных участков (стартовой аминокислоты — метионина, отцепление белковых фрагментов (именно так пепсиноген превращается в пепсин)). Все эти превращения направлены на одно — перевести белок в активное, рабочее состояние; — фолдинг — самосборка белка, т. е. приобретение им вторичной и др. высших структур. Как правило, этот процесс протекает самостоятельно, но фолдинг некоторых протеинов требует присутствия особых белков — шаперонов, которые помогают новой молекуле приобрести правильную форму. III. Регуляция синтеза белка 1. Регуляция синтеза белка у прокариот (теория Ф. Жакоба и Ж. Моно, 1961 г.). Согласно этой теории, управление ведется через транскриптон (см. выше). Предположим, мы наблюдаем синтез фермента А. Ключевым является ген-регулятор (порой расположенный довольно далеко от транскриптона), который кодирует образование белка репрессора. Этот протеин способен специфически объединяться с оператором транскриптона, блокируя транскрипцию и синтез белка А в целом. В этом случае концентрация белка А в клетке снижается. Но, поскольку этот белок является ферментом, в клетке накапливаются исходные вещества катализируемой реакции. Эволюционно сложилось, что именно они (исходные вещества), как правило, аллостерически ингибируют репрессор, он сходит с оператора ДНК и транскрипция запускается (такой механизм регуляции называется индукцией). Некоторые репрессоры в норме неактивны и транскрипция идет постоянно. Но если синтезируемый фермент (белок Б) образуется в избытке, то накапливаются продукты его реакции, которые активируют репрессор, заставляя его блокировать синтез белка Б (механизм называется репрессией). 2. Регуляция синтеза белка у эукариот — протекает по тем же принципам, что и у прокариот, но имеет ряд отличи57 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ тельных особенностей: — наличие «лишних» участков ДНК, функция которых еще не определена; — репликация идет сразу в тысячах точек; — гены моноцистронны, т. е., за 1 раз транскрибируется информация об одном гене; — рибосомы эукариот в 2 раза крупнее; — роль репрессоров выполняют гистоны; — присутствует также регуляция на уровне рибосом. IV. Мутации, наследственные болезни Мутации — спонтанные изменения генетической информации. Существует ряд классификаций этого явления: I. Классификация мутаций по локализации: 1. Соматические — мутации клеток тела (не половых), не передаются по наследству; 2. Половые — мутации половых клеток, при определенных условиях передаются по наследству; их делят на: а) негативные — главная причина наследственных заболеваний; б) молчащие — если повреждения незначительны, они, как правило, остаются незамеченными; в) позитивные — крайне редко, возникшая мутация настолько кардинально меняет признак в лучшую сторону, что это влечет к резкому повышению приспособленности популяции к внешним условиям и, как правило — возникновению нового вида. Позитивные мутации — главный движущий фактор эволюции. II. Классификация по масштабу (обычно ее применяют только к негативным мутациям — причине наследственных болезней): 1. Геномные — мутации в масштабе всего генома, характеризуются изменением числа хромосом (трисомии1, моносомии2 и др.). Являются причиной таких заболеваний, как: болезнь Дауна (трисомия по 21-й хромосоме), синдром Клайнфельтера (по58 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ лисомия по половым хромосомам: XXY, XYY, XYYY и др.), синдром Шершевского-Тернера (моносомия по женской половой хромосоме: ХО). 2. Хромосомные — мутации в масштабе одной хромосомы, чаще — поражение одного гена. Их подразделяют на: а) делеция — утрата фрагмента хромосомы; б) вставка; в) дупликация — удвоение участка; г) инверсия — поворот фрагмента на 1800; д) транслокация — перенос участка на другую хромосому. Примеры хромосомных заболеваний: синдром «кошачьего крика» (делеция короткого плеча 5-й хромосомы), синдром Вмьфа-Хирш-хорна (делеция короткого плеча 9 хромосомы) и др. 3. Генные (точечные, миссенс-мутации) — самые распространенные мутации, совершаются в масштабах одного гена, чаще, это изменение в пределах одного триплета (и меньше). Примеры болезней, вызванных точечными мутациями: серповидноклеточная анемия, фенилкетонурия, алкаптонурия, болезнь Хартнупа, альбинизм и др. (см. гл. «Ферменты» — тема №3 — «Энзимопатология»). Трисомия — появление третьей хромосомы в классической паре хромосом (прим. автора). 2 Моносомия — исчезновение одной из двух хромосом в классической паре (прим. автора). 1 59 ГЛАВА VI БЕЛКИ ПЛАЗМЫ КРОВИ 1. Общие понятия Система крови является одной из трех систем (наряду с нервной и гуморальной), объединяющих сотни миллиардов клеток в единый организм. Функции крови: 1. Транспортная: а) регуляторная (транспорт гормонов); б) дыхательная (транспорт О2 гемоглобином); в) питательная; г) выделительная; 2. Защитная: а) иммунная; б) свертывающая (защита от потери крови); 3. Гомеостатическая (постоянство внутренних сред): а) буферная; б) температурная; в) электролитная; г) онкотическая. Состав крови: 1. Форменные элементы (эритроциты, лейкоциты, тромбоциты) — 45% от общего объема; 2. Плазма1 — 55%. Из них: 90—91% — вода; 6,5—8,5% — белки; остальное — соли. 2. Белки плазмы Норма общего белка плазмы — 65—85 г/л. На основе электрофоретического разделения, белки плазмы делят на: 1. Альбумины ≈60% от массы общего белка. Подразделяют на А-альбумин и В-альбумин; Плазма крови имеет принципиальное отличие от сыворотки: плазма — в организме; сыворотка — в пробирке. В сыворотке, в отличие от плазмы, отсутствует фибриноген (прим. автора). 1 60 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ 2. Глобулины — примерно 45%. Делят на: α1-глобулины ≈ 4% (нормы запоминаем методом четверок, прибавляя к каждой последующей фракции по 4%); α2-глобулины ≈ 8%; β-глобулины ≈ 12%; γ-глобулины ≈ 16%; 3. Фибриноген ≈ 0,3%. 3. Иммуноглобулины (Ig) или антитела — основной фактор гуморальной защиты от внешней антигенной агрессии. Молекула иммуноглобулина (на примере IgG) — сложный белок, построенный из 2-х тяжелых: Н- и двух легких: L-цепей, соединенных воедино дисульфидными связями. Каждое антитело имеет рецепторную часть, с помощью которой оно соединяется с чужеродным белком. Это взаимодействие сугубо специфично: каждый антиген обезвреживается только соответствующей генерацией Ig. Типы иммуноглобулинов: 1. IgG — типичные антитела, доминантный тип, на его долю приходится 75—80% Ig; 2. IgA. Имеет два подтипа: секреторный (накапливается в слизистых, составляя первый эшелон защиты) и сывороточный; 3. IgM. Самый тяжелый (пентамер) и древний. Этот тип не имеет специфичности, его молекулы готовы к нейтрализации любого антигена. 4. IgE. Определение этого типа чрезвычайно важно в медицине, т. к. повышение концентрации IgE в плазме характерно для аллергических процессов. 5. IgD — рецепторная функция. 4. Протеинопатология 1. Гиперпротеинэмия — повышение уровня общего белка плазмы: а) Абсолютная гиперпротеинэмия — действительное повышение уровня белка в плазме (примеры: см. парапротеинэмия); 61 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ б) Относительная — повышение концентрации белка за счет потерь воды, обезвоживания (кишечные инфекции, лихорадка у детей, кишечная непроходимость, обширные ожоги и др.). 2. Гипопротеинэмия — снижение уровня общего белка плазмы. Характерна для нефротического синдрома (заболевания почек), тяжелых поражений печени, длительной жажды и др. 3. Диспротеинэмия — изменение концентрации отдельных фракций при норме общего белка. Например, альбумины чаще снижаются (см. гипопротеинэмия); повышение α2-глобулинов характерно для острых воспалительных процессов, а γ-глобулинов — для хронических; 4. Парапротеинэмия — появление в плазме аномальных белков, которые отсутствуют в норме. Примеры: а) миеломная болезнь — злокачественная патология, при которой плазма наводняется легкими цепями антител; б) болезнь Вальденстрема — появление в крови тяжелых макроглобулинов. 62 ВТОРОЙ СЕМЕСТР Если в первом семестре вы изучали общую биохимию, т. е. фундаментальные понятия основ жизнедеятельности, то во втором семестре вас ждет частная биохимия — разбор конкретных метаболических процессов. А раз так, настройтесь на обилие графического материала: уравнения реакций, формулы, графики, которые вам придется рисовать. Не всем это нравится (да и мало кому нужно), но что поделаешь — это есть в программе, а значит — надо учить, но не все. В начале каждой темы, под заголовком: Письменные вопросы темы, которые необходимо запомнить по вашему учебнику, я буду называть то, что надо усвоить, остальное смело можете пропускать. 65 ГЛАВА VII МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, УТИЛИЗАЦИЯ УГЛЕВОДОВ Письменные вопросы темы, которые необходимо запомнить по вашему учебнику: всего два микровопроса: синтез и распад гликогена. I. Функции и градация углеводов Эпитет «легкий» как нельзя больше подходит к характеристике этого класса. Углеводы легко перевариваются, легко отдают энергию, углеводы — «легкие» метаболиты, не образующие шлаков, ну и, наконец, раздел «Углеводы» довольно легко усваивается студентами. Это самый распространенных класс органических веществ. На их долю приходится 70% от общей биомассы Земли. Функции углеводов: 1. Энергетическая — является главной, а для высших позвоночных — важнейшей. Почему не липиды, энергетическая ценность которых в два с лишним раза выше, а именно углеводы являются главным источником энергии для большинства гетеротрофов? Ответ прост: во-первых, углеводы легче отдают свою энергию, во-вторых, они гораздо более распространены. 2. Структурная — у человека и других позвоночных эта функция углеводов не является основной (главные роли здесь выполняют белки и липиды). Однако некоторые примеры структурной роли углеводов заслуживают внимания: мукополисахариды соединительной ткани, гликокаликс клеток. 3. Дезинтоксикационная. Главным веществом, используемым 66 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ клетками печени для обезвреживания большинства ядов, является моносахарид глюкуроновая кислота (не путать с гиалуроновой кислотой). Классификация и характеристика. По строению, углеводы делят на: 1. Моносахариды — простейшие углеводы, входящие в состав более сложных. К ним относятся: глюкоза, фруктоза, галактоза, рибоза и др. Именно моносахара являются той первичной органикой, которая рождается в процессе фотосинтеза. Это из них впоследствии образуются остальные органические вещества. Однако, вы не встретите моносахарид в чистом виде в природе (разве что глюкоза в виноградном соке), т. к. они входят в состав иных углеводов. 2. Ди- и олигосахариды. Согласно программе, разбираем только дисахара — соединения из двух моносахаридов: сахарозу (дуэт глюкозы и фруктозы, α-1,2-гликозидная связь), лактозу (глюкоза + галактоза, β-1-4- гликозидная связь) и мальтозу (2 глюкозы, α-1,4-гликозидная связь). В природе встречаются сахароза (овощи, фрукты, пищевой сахар) и лактоза (молоко). Мальтоза является структурным компонентом крахмала. 3. Полисахариды — полимеры, образованные тысячами моносахаридных остатков. Наиболее значимы: а) Крахмал — резервный полисахарид растений (содержится в плодах и клубнях), представленный линейной разновидностью — амилозой (остатки глюкозы, соединенные α-1,4-гликозидной связью) и ветвящейся — амилопектином (строение то же, но в точках ветвления α-1,6-связь). Крахмал — основной источник пищевой энергии, получаемой человеком. б) Гликоген — животный аналог крахмала (тот же состав, те же связи и та же резервная функция), отличается лишь большей массой, и большей степенью ветвления. Находится во всех клетках, но преобладает в печени и скелетных мышцах. в) Целлюлоза (клетчатка) — самое распространенное органическое вещество в природе. Выполняет структурную функцию у всех растений. Построена из остатков глюкозы, линейно со67 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ единенных β-1-4-гликозидной связью, не ветвится, отличается высокой прочностью и химической инертностью. Не переваривается в ЖКТ человека и проходит через кишечник неизмененной. Тем не менее она выполняет ряд важнейших функций: оформляет пищевые и каловые массы, придает им объем, стимулирует перистальтику кишечника, способствует механической очистке кишечного канала, предотвращает запоры, сорбирует токсины из крови сквозь эпителий и является средой для обитания нашего симбионта — кишечной палочки. II. Переваривание и всасывание углеводов является одним из самых простых процессов пищеварения. Основным исходным субстратом углеводного пищеварения человека является крахмал. Уже в ротовой полости происходит частичный гидролиз крахмала под действием амилазы слюны. После проглатывания пищевого комка переваривание углеводов в желудке временно приостанавливается из-за кислой среды желудочного содержимого. Основная масса углеводов переваривается в двенадцатиперстной кишке и проксимальных отделах тонкого кишечника. Кишечное переваривание углеводов можно разделить на две фазы: а) Полостное пищеварение. Основным ферментом здесь служит панкреатическая амилаза, которая расщепляет полисахариды только до дисахаридов — мальтозы и изомальтозы. б) Пристеночное пищеварение. После полостного процесса в кишечнике остаются только дисахариды, которые гидролизуются на втором этапе до моносахаров под действием ферментов, локализованных на поверхности микроворсинок эпителия тонкого кишечника. Фермент лактаза гидролизует лактозу на глюкозу и галактозу. Мальтаза расщепляет 20% мальтозы до глюкозы. Более 80% мальтозы, всю сахарозу и изомальтозу гидролизует сахаразно-изомальтазный комплекс. Всасывание продуктов переваривания углеводов происходит в проксимальных отделах тонкого кишечника. Всасыванию 68 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ подвергаются только моносахариды. Существует два механизма всасывания: а) Облегченная диффузия — пассивный транспорт моносахаридов сквозь клеточные мембраны по градиенту концентрации. Такой механизм не требует затрат энергии и является основным путем всасывания для всех моносахаров, когда их концентрация в полости кишечника выше нежели во внутренних средах организма. б) Активный транспорт — энергозатратный процесс, осуществляемый против градиента концентрации. У человека таким образом всасываются глюкоза и галактоза, поэтому скорость их всасывания выше. Процесс протекает с затратой энергии АТФ в присутствии ионов Na+. III. Глюкоза, как основной метаболит углеводного обмена Глюкоза — ключевой продукт метаболизма углеводов. Если главным источником энергии внутри клетки является АТФ, то глюкоза — главный носитель энергии вне клеток (в крови и др. жидкостях), основное «горючее» для тканей. Норма глюкозы в крови — 3,3—5,5 мМоль/л, в моче — отсутствует. Глюкоза легко проникает внутрь большинства клеток. Исключение составляют лишь мышечная и жировая ткани, в которые глюкоза способна попасть только под действием гормона инсулина. Попавшая в клетки глюкоза превращается (при участии АТФ) в свою активную форму — глюкозо-6-фосфат. Другие гексозы, такие как галактоза, фруктоза и пр., легко превращаются в глюкозо-6-фосфат под действием изомераз. Источники глюкозы в организме: а) пищеварение; б) распад гликогена; в) глюконеогенез (см. ниже); г) другие гексозы. Пути расходования глюкозы: а) синтез гликогена; 69 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ б) дихотомический путь (см. ниже); в) гликолиз (см. ниже); г) пентозный путь (см. ниже). В распаде гликогена ключевую роль играет аденилатциклазная система — каскадная последовательность, служащая передатчиком сигнала от гормона внутрь клетки. Этот вопрос будет попадаться вам часто в различных темах второго семестра, поэтому, чем раньше выучите, тем значительнее облегчите себе жизнь. Эта система представляет собой цепочку ферментов, в которой каждый предыдущий активирует последующий, подобно падающим костяшкам домино. Привожу упрощенную схему строения (этого достаточно): гормон (чаще адреналин) — рецептор клетки — аденилатциклаза — цАМФ — протеинкиназа. Это общая часть, единая для большинства процессов. Дальше везде по-разному, при распаде гликогена, например, после протеинкиназы идут — киназа фосфорилазы — фосфорилаза. А при липолизе — триглицеридлипаза. II. МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ В отличие от иных обменов, метаболизм углеводов почти не имеет анаболических реакций, только катаболизм. Это понятно, ведь ключевая функция углеводов — энергетическая, а энергию мы получаем путем катаболического расщепления. Мы разберем пути распада главного внутреннего углевода — глюкозы. Эта тема (как и вторая тема каждого раздела) изобилует графическими вопросами. Поэтому рекомендую начать с них: Письменные вопросы темы, которые необходимо запомнить по вашему учебнику: гликолиз (все 11 реакций), окисление пирувата (5 реакций), глюконеогенез (учить только 4 реакции, отличающиеся от гликолиза). Среди путей катаболизма глюкозы наибольшее значение имеет дихотомический путь, немаловажны также гликолиз и пентозный путь (о нем — в следующей теме). Рассмотрим их 70 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ по порядку. I. Гликолиз — окисление глюкозы до пирувата или лактата. Протекает в цитоплазме. Выделяют два типа этого процесса: 1. Анаэробный гликолиз (полный) — включает 11 последовательных реакций, заканчивается образованием лактата. Это самостоятельный процесс, который запускается в нашем организме только при местном недостатке кислорода в тканях (анаэробные условия). Чаще это случается в мышцах при интенсивной физической нагрузке, когда кровь не успевает адекватно обеспечивать работающие мышцы кислородом (накапливающийся при этом лактат вызывает характерные боли в тканях через день после работы). Анаэробный гликолиз энергетически невыгоден, при окислении одной молекулы глюкозы в этом процессе образуется всего 2 молекулы АТФ (в 7-й и 10-й реакциях). 2. Аэробный гликолиз (неполный) — является не самостоятельным процессом, а первой стадией дихотомического пути. Подробнее о нем — см. ниже. II. Дихотомический путь — важнейший процесс углеводного обмена, полностью аэробный, основной источник АТФ для организма. Стоит заметить, что в процессе гликолиза глюкоза расщепляется пополам (дихотомия), на две триозы, которые и проходят полное окисление до СО2 и Н2О. Поэтому, при подсчете АТФ на каждой стадии, мы должны умножать полученную цифру на 2. Дихотомический путь включает три стадии: 1. Аэробный гликолиз (неполный) — 10 последовательных реакций (те же, что и в анаэробном гликолизе, кроме последней), заканчивается образованием пирувата. Протекает в цитоплазме. При окислении одной молекулы глюкозы дает 8 АТФ (в 7-й и 10й реакциях, а также НАД. Н (в 6-й), дающий 3х2=6 АТФ). 2. Окисление пирувата — 5 реакций, в митохондриях, заканчивается образованием ацетил-КоА. Энергетика: 1 НАД. Н, дающий 3х2=6 АТФ 3. Цикл Кребса — 8 реакций, протекает в митохондриях, за71 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ канчивается полным окислением продукта до СО2 и Н2О. Дает 12 АТФ (см. 1-й семестр, «Энергетический обмен»). 12х2 = 24 АТФ. ИТОГО: 8 +6 +24 = 38 АТФ на 1 молекулу глюкозы, т. е. в 19 раз эффективнее, чем при анаэробном гликолизе. Согласитесь: дышать выгодно. III. Участие витаминов в окислении пирувата. Как было сказано, в этом процессе 5 реакций, следовательно, их катализируют 5 коферментов. Вы помните, что коферменты в организме рождаются из витаминов. Все просто, вам надо вспомнить: какой кофактор из какого витамина образуется. Вот вам полная информация (слева — кофермент, справа — его витамин): ТДФ — Тиамин (В1) Липоамид — Липоевая кислота КоА — Пантотеновая кислота (В5) ФАД — Рибофлавин (В2) НАД — Никотиновая кислота (РР). IV. Глюконеогенез — синтез глюкозы из неуглеводных продуктов: лактата, пирувата, глицерина и гликогенных аминокислот (один из немногих анаболических процессов в углеводном обмене). Протекает в печени. Этот процесс обратен гликолизу: те же ферменты, та же последовательность обратимых реакций, только идут в обратную сторону (от лактата или пирувата — до образования глюкозы). Только в трех точках необратимых реакций (1-я, 3-я и 10-я) процесс идет в обход, с иными ферментами и метаболитами. Взаимосвязь гликолиза и глюконеогенеза хорошо иллюстрируется циклом Кори: в анаэробных условиях глюкоза в мышцах, в процессе анаэробного гликолиза, превращается в лактат, который выходит в кровь и транспортируется ею в печень. Там лактат, в процессе глюконеогенеза, образует глюкозу, которая тоже выходит в кровь и вновь идет в мышцы; все начинается сначала. 72 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ Это и есть цикл — непрерывный круговорот веществ. Вот и все. Немного? Вынужден огорчить: большая часть (как я указал в начале темы) — в письменном виде. III. ПЕНТОЗНЫЙ ПУТЬ. РЕГУЛЯЦИЯ И ПАТОЛОГИЯ УГЛЕВОДНОГО ОБМЕНА Письменные вопросы темы, которые необходимо запомнить по вашему учебнику: всего один — первые 3 реакции пентозного пути. I. Пентозный путь (апотомический) — процесс полного аэробного окисления глюкозы, протекает в цитоплазме. Можно возразить: «Как же так? Вы только что вновь дали нам определение дихотомического пути (только локализация иная). Так в чем же разница?». А разница огромна. Чтобы увидеть ее, давайте назовем функции пентозного пути: а) образование НАДФ. Н1, который участвует в синтезе многих гидрофобных веществ (холестерин, жирные кислоты и др.); б) образование пентозофосфатов, которые участвуют в синтезе ДНК и РНК. Прислушайтесь: ключевое слово — синтез. Теперь вы поняли разницу? Если дихотомический путь — главный источник энергии АТФ, то биологическая роль пентозного пути диаметрально противоположна — строительная составляющая, восстановление и рост тканей (грубая ошибка — считать число АТФ в пентозном пути; этот процесс не дает энергию). Взаимосвязь дихотомического и апотомического путей. Замечу, оба этих процесса потребляют глюкозу, но один — для Не стоит путать НАД и НАДФ. Несмотря на сходство названий, это вещества — антиподы. НАД — окислитель, участвующий в разрушении молекул в митохондриях, дающий энергию, а НАДФ — восстановитель, который участвует в синтезе веществ в цитоплазме (прим. автора). 1 73 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ получения энергии, другой — для пластики. Вопрос: в какой же из этих путей пойдет большая часть глюкозы? Ответ элементарен: все зависит от потребностей организма. Если, к примеру, спортсмен бежит марафонскую дистанцию, безусловно, он нуждается в энергии. Разумеется, у него будет преобладать дихотомический процесс. А если человек попал в аварию, потерял много крови? Его организм нуждается в регенерации, восстановлении тканей. Конечно же, у него будет активирован апотомический (пентозный) путь. II. Регуляция углеводного обмена 1. Нейрогуморальная регуляция Симпатическая система и ее союзники — адреналин (образуется в мозговом веществе надпочечников) и глюкагон (α-клетки островков Лангерганса поджелудочной железы) активируют уже знакомую вам аденилатциклазную систему, что приводит к распаду гликогена до глюкозы и ее выходу в кровь. Разумеется, уровень глюкозы в крови при этом повышается (мобилизация). Парасимпатическая система и инсулин (β-клетки островков Лангерганса поджелудочной железы), наоборот, снижают уровень глюкозы в крови, за счет ее транспорта внутрь клеток и запасания в виде гликогена (депонирование) 2. Аллостерическая регуляция По данному вопросу вы должны знать регуляцию всего двух процессов: гликолиза и ЦТК. Регуляцию цикла Кребса я вам уже давал в первом семестре, но ничего, повторим, вреда не будет. Здесь вам немного повезло, т. к. и гликолиз, и ЦТК дают один и тот же продукт — АТФ, их аллостерическая регуляция удивительно схожа (разница только в названии ферментов). Итак: Гликолиз: лимитирующей является реакция №3, следовательно, аллостерический фермент — №3 — фосфофруктокиназа. Он ингибируется избытком АТФ и НАД. Н (как косвенных продуктов процесса), а активируется АДФ и НАД. 74 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ Цикл Кребса: лимитирующая реакция №3 (не стоит искать здесь глубокого смысла, просто совпадение), аллостерический фермент изоцитратдегидрогеназа; ингибируется АТФ и НАД. Н, активируется АДФ и НАД. Как говориться: найдите одно отличие. III. Патология обмена углеводов довольно скудна, учитывая, что здесь мы не будем рассматривать сахарный диабет, т. к. это заболевание не только углеводного, но и жирового обмена (сахарный диабет мы подробно разберем в конце главы «Метаболизм липидов»). Нарушения усвоения углеводов можно разделить на: 1. Нарушения переваривания углеводов; а) врожденные — чаще встречаются врожденная непереносимость молока (энзимопатия по лактазе) и сладкого (энзимопатия по сахаразно-изомальтазному комплексу). Более серьезным заболеванием можно назвать первое, т. к. молоко является основой питания в грудном возрасте, и подобная патология вызывает значительные затруднения при формировании рациона ребенка. б) приобретенные — характерны для хронического панкреатита; 2. Нарушения всасывания продуктов переваривания углеводов. Главной причиной нарушения всасывания являются хронические энтериты — воспалительные заболевания тонкого кишечника. Это зачастую сопровождается значительным снижением площади всасывающей поверхности тонкого кишечника, а, следовательно, к нарушению всасывания продуктов переваривания, в том числе и углеводов. 75 ГЛАВА VIII МЕТАБОЛИЗМ ЛИПИДОВ I. ЛИПИДЫ: ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ, УТИЛИЗАЦИЯ Липиды — сложная, неоднородная, разнообразная группа органических веществ гидрофобной природы. I. Функции липидов Крайнее разнообразие представителей класса липидов обеспечивает многочисленность их функций. Для простоты усвоения, я объединил их в крупные группы: 1. Пластическая функция — является одной из ключевых. Дифильные липиды (фосфолипиды, гликолипиды и др.) образуют основу биологических мембран — их билипидный слой. Эту функцию трудно переоценить, т. к. наличие билипидного мембранного слоя определяет само существование клеток и, следовательно — клеточных форм жизни. 2. Резервная — обеспечивается, в большей степени, триглицеридами (нейтральными жирами) жировой клетчатки. Резервными можно назвать следующие функции: а) энергетическая — липиды в два с лишним раза более энергоемки (9,3 кКал/г), чем углеводы, неудивительно, что именно они выбраны эволюцией в качестве главного запаса энергии для животных и растительных организмов. б) водообразующая — при окислении 100 г жиров образуется 110 г воды, что эффективно применяется многими живыми организмами. Верблюды, например, могут использовать воду, образующуюся при окислении жира, содержащегося в их горбах. в) функция источника питательных веществ — в процессе метаболизма липидов образуется множество промежуточных 76 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ питательных веществ. 3. Регуляторная — многие биологически активные вещества имеют липидную структуру. К наиболее значимым биорегуляторам можно отнести: — стероидные гормоны; — гормоноиды (прежде всего — простагландины); — коферменты липидной природы (КоQ, липоевая кислота и др.); — жирорастворимые витамины (A, D, E, K). 4. Барьерная. Зачастую липиды выступают в качестве, какого либо барьера в организме. Можно выделить следующие барьеры: а) мембранный — упомянутые выше классы липидов образуют клеточные и субклеточные мембранные барьеры; б) электрический. Покровные ткани, также имеющие большое количество липидов в своем составе, плохо проводят электроток, и являются барьером при внешнем электрическом поражении; в) термический — у многих животных холодных зон (особенно водоплавающих) мощный слой подкожного жира является прекрасной защитой от переохлаждения; г) водный — большинство водоплавающих птиц и млекопитающих используют сальные секреты желез для защиты наружных покровов (перья, шерсть) от намокания; д) механический — подкожно-жировая клетчатка, благодаря своей рыхлости и эластичности, выступает также в качестве барьера от внешних механических воздействий. II. Классификации липидов Классификация по структуре 1. Неомыляемые (стероиды, терпены); 2. Омыляемые: а) Простые (нейтралные жиры, воска); б) Сложные (фосфолипиды, гликолипиды) 77 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ Классификация по растворимости в воде (Small, 1968). I класс — нерастворимые: растекаются по поверхности воды (холестерин, ди- и триглицериды); II класс — нерастворимые полярные: образуют билипидные пленки (фосфолипиды, некоторые сфинголдипиды); IIIА класс — условно растворимые: образуют билипидные пленки и мицеллы (мыла, лизолецитины, лизокефалины); IIIВ класс — условно растворимые: образуют мицеллы (желчные кислоты и их соли). Как видно, растворимость в воде повышается сверху-вниз, достигая максимума у класса IIIВ. III. Утилизация жиров Пищевая ценность липидов: а) Источник энергии — жиры очень энергоемки, на их долю приходится 40% от общих энергетических потребностей организма. б) Структурная функция — фосфолипиды пищи являются сырьем для построения клеточных мембран. в) В состав пищевого жира входят незаменимые вещества: витамины A, D, E, К и незаменимые ВЖК: линолевая и линоленовая. Суточные потребности в жирах составляют 60—120 г, хотя эта цифра может сильно варьировать в зависимости от: физической активности человека (прямая зависимость) и средней температуры окружающей среды (калорийный жир пищи эффективно защищает организм от охлаждения). Особенности липидного обмена у детей Переваривание липидов в желудке у взрослого человека невозможно по следующим причинам: — пищевой жир не эмульгирован; — рН желудочного сока (1,5—2,5) не соответствует оптимуму активности желудочной липазы (5,5—7,5). Но у грудных детей переваривание липидов начинается уже в желудке, т. к.: 78 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ — жир женского грудного молока находится в эмульгированном состоянии; — рН желудочного сока новорожденного равен 5—5,5; — в слизистой корня языка и глотки новорожденного синтезируется лингвальная липаза, которая попадая с молоком в желудок, участвует в переваривании жиров. Переваривание жиров у взрослого: 1. Эмульгирование. В организме взрослого человека переваривание жиров начинается в 12-перстной кишке. Главной проблемой усвоения липидов является их гидрофобность. Перед организмом встает стратегическая задача — адаптация жизненно необходимых, но нерастворимых веществ к водным средам организма. Решение этой проблемы сводится к тому, что нерастворимые липидные частицы окружаются слоем дифильных молекул: желчных кислот и их солей, секретируемых печенью и служащих адаптерами между миром гидрофобных структур и водных растворов. Функции желчных кислот и их солей: — эмульгирование пищевых жиров; — активация панкреатической липазы; — участие во всасывании липидов (см. ниже). В результате воздействия желчных кислот на жиры, происходит снижение силы поверхностного натяжения жировой капли, сопровождающееся ее дроблением до микрокапелек размером около 0,5 мкм. Общая площадь поверхности контакта пищевого жира с окружающей средой при этом возрастает на несколько порядков, и большая часть липидных молекул становится доступной для воздействия пищеварительных ферментов, находящихся в водной фазе ЖКТ. 2. Гидролиз жиров. Главным пищеварительным ферментом этого процесса является панкреатическая липаза. Этот фермент синтезируется в поджелудочной железе в неактивной форме — пролипазы, которая по панкреатическим протокам попадает в полость 12-перстной кишки. Здесь происходит активация молекулы профермента с помощью 2-х молекул колипазы (при уча79 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ стии желчных кислот). Активированная липаза разрывает сначала «крайние» сложноэфирные связи нейтрального жира — в 1-м и 3-м положениях. Гидролиз связи во 2-м положении происходит значительно труднее. Стоит заметить, что какая то часть связей во 2-м положении остается нерасщепленными вплоть до момента всасывания, т. е. среди продуктов переваривания липидов присутствуют и 2-моноглицериды. 3. Всасывание липидов Всасывание продуктов переваривания жиров происходит в проксимальных отделах тонкого кишечника. Растворимые компоненты: глицерин и короткоцепочечные ВЖК всасываются сразу в кровь воротной вены. Микрокапельки нерастворимых липидов: нейтральных жиров, длинноцепочечных ВЖК, холестерина и др. претерпевают дополнительное дробление под действием желчных кислот и их солей, превращаясь в мельчайшие мицеллы, которые поглощаются клетками тонкого кишечника путем эндоцитоза. На животных и людях-добровольцах доказано, что весьма значительная часть пищевого жира попадает в жировые депо в совершенно неизмененном виде. Причем процент таких липидов в жировой клетчатке повышается в том случае, если животное или человек принимали жирную пищу натощак. Интересна судьба мицеллярных желчных кислот. После проникновения внутрь энтероцитов в составе всасывающихся мицелл, желчные кислоты отделяются от них, попадают в портальный кровоток и, по системе воротной вены, проникают в печень. Далее желчные кислоты секретируются гепатоцитами с желчью и попадают в двенадцатиперстную кишку, вновь начиная цикл липидного пищеварения. Такой круговорот называется гепатоэнтеральная (печеночно-кишечная) циркуляция. Главное назначение этого процесса — предотвращение крупных потерь желчных кислот и их солей. 80 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ II. ТРАНСПОРТ И МЕТАБОЛИЗМ ЛИПИДОВ Письменные вопросы темы, которые необходимо запомнить по вашему учебнику: бета-окисление ВЖК и синтез ВЖК. I. Липопротеиды (ЛП) крови — особая группа частиц, осуществляющая транспорт жиров в организме. Выделяют 4 класса этих частиц: 1. ЛПВП — липопротеиды высокой плотности (альфа-ЛП); 2. ЛПНП — липопротеиды низкой плотности (бета-ЛП); 3. ЛПОНП — липопротеиды очень низкой плотности (пре-бета-ЛП); 4. Хиломикроны (ХМ). Если смотреть на этот ряд сверху вниз, их плотность падает, а размер растет (ХМ — самые крупные частицы плазмы крови). Строение липопротеидов: гидрофобное ядро, состоящее из нейтральных жиров и холестерина, окруженное по периферии слоем дифильных адаптеров: фосфолипидов и белка — аполипопротеина. В разных классах ЛП пропорции названных веществ отличаются. В ХМ и ЛПОНП преобладают нейтральные жиры, в ЛПНП — холестерин, а в ЛПВП — фосфолипиды. Транспорт жиров липопротеидами После всасывания, в кишечнике образуются хиломикроны, которые, посредством лимфатической системы, попадают в кровь и, таким образом, транспортируют липиды от кишечника по двум адресам: в печень и жировую ткань. В печени синтезируются и секретируются в кровь ЛПОНП. Они превращаются в плазме крови в ЛПНП, которые снабжают липидами клети периферических тканей. Биологическая роль ЛПВП заключается в том, что они осуществляют обратный транспорт избытка жиров от периферических тканей в печень. Таким образом, ЛПВП снижают уровень холестерина в тканях, уменьшая риск возникновения атеросклероза; именно поэтому их иногда называют «хорошими» липопротеидами. 81 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ II. Внутриклеточный липолиз 95% триглицеридов (нейтральных жиров) человеческого организма содержится в жировой ткани. В случае нужды происходит внутриклеточный липолиз — расщепление жира на глицерин и жирные кислоты. Этот процесс запускается триглицеридлипазой. Этот аллостерический фермент в покое неактивен, но при нужде, включается уже известной вам аденилатциклазной системой: гормон (чаще — адреналин) активирует рецептор жировой клетки, который активирует аденилатциклазу, она образует цАМФ, который включает протеинкиназу и она активирует триглицеридлипазу, которая запускает весь процесс липолиза. В результате молекула нейтрального жира еще внутри жировых клеток расцепляется до глицерина и ВЖК. Глицерин, как растворимое в воде вещество, транспортируется кровью в свободном виде. Высшие жирные кислоты переносятся сывороточным альбумином. III. Окисление глицерина Этих реакций нет ни в одном учебнике, но спрашивать будут. Поэтому привожу их здесь (см. схему ниже). Первая реакция 82 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ этого процесса — активирование глицерина. Фермент глицеролкиназа катализирует взаимодействие глицерина с АТФ; в результате переброски части энергии с фосфатным остатком на субстрат, образуется глицерол-3-фосфат и АДФ. Во второй реакции фермент глицеролфосфатдегидрогеназа отщепляет 2 Н от глицерол-3-фосфата, превращая его в диоксиацетонфосфат и образуя НАДН2. Далее диоксиацетонфосфат вступает в уже знакомый вам дихотомический путь (см. катаболизм углеводов), т. е. в аэробный гликолиз, окисление пирувата и ЦТК. Энергетический баланс окисления глицерина 1-я реакция — расходуется 1 АТФ (-1); 2-я реакция — НАД. Н цитозольный, который дает всего 2 АТФ (+2); Гликолиз: — НАД. Н цитозольный и 2 АТФ в 7 и 10 реакциях (+4); Окисление пирувата: НАД. Н (+3); ЦТК: 3 НАД. Н, 1 ФАДН2 и 1 ГТФ (+12); ВСЕГО: 20 АТФ. IV. Окисление высших жирных кислот включает две стадии: 1. β-окисление ВЖК до ацетильной группы (ацетил-КоА); 2. окисление ацетильного остатка в цитратном цикле до СО2 и Н2О. Как вы понимаете, цикл Кребса с вас требовать не будут (вы его уже разобрали), а вот бета-окисление выучить придется. Могу поделиться секретом, как это сделать легко. Из 4-х реакций, три первых очень напоминают три последних реакции ЦТК (отличается лишь субстратом). Первая реакция β-окисления (как и 6-я реакция цитратного цикла) заканчивается образованием двойной связи и ФАД. Н2. Во второй реакций (как и в 7-й реакция ЦТК), происходит присоединение воды к двойной связи (с ее разрывлм), образуется группа: -ОН. И, наконец, третья реакция бета-окисления, как и последняя реакция цикла Кребса, образует кетогруппу (С=О) и НАД. Н. 83 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ β-окисление протекает в матриксе митохондрий и является циклическим процессом, за один виток которого происходит отщепление от окисляемой ВЖК двухуглеродного фрагмента (ацетил), т. е. после каждого оборота жирная кислота укорачивается на 2 атома углерода. Образующиеся при этом ацетильные группы (ацетил-КоА) вступают во вторую стадию окисления — цитратный цикл. Энергетический баланс окисления ВЖК (на примере пальмитиновой кислоты (16 атомов С)): а) Активация ВЖК — минус 1 АТФ. б) Бета-окисление. За один цикл от молекулы ВЖК происходит отщепление 2-углеродного фрагмента. Но в тиолазной реакции последнего цикла образуется не 1, а 2 молекулы ацетилКоА. Поэтому пальмитиновая кислота, содержащая 16 атомов углерода, проходит не 8, а 7 циклов β-окисления. Каждый цикл дает 1 ФАД. Н2 (2 АТФ) и 1 НАД. Н (3 АТФ). Итого: 5 АТФ за один цикл. Таким образом, общее число молекул АТФ, образующихся в процессе β-окисления пальмитиновой кислоты равно 7х5=35. в) Цитратный цикл. Одна молекула пальмитиновой кислоты дает 16/2=8 молекул ацетил-КоА (16/2). Каждый из них в ЦТК дает 12 АТФ (см. «Обмен углеводов»). Общее число АТФ 12х8=96. г) Суммирование: — 1 +35 +96 = 130 АТФ. Окисление нейтрального жира. Зная энергобаланс окисления ВЖК и глицерина легко подсчитать общее число АТФ, образующееся при полном аэробном окислении любого триглицерида. Пример: трипальмитин — триглицерид, молекула которого состоит из остатка глицерина и 3 остатков пальмитиновой кислоты. Энергетический баланс глицерина — 20 АТФ, пальмитиновой кислоты — 130 АТФ. Сумма энерговыхода окисления одной молекулы трипальмитина 130х3+20=410 молекул АТФ. 84 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ III. КЛИНИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ, РЕГУЛЯЦИЯ ПАТОЛОГИЯ ЛИПИДНОГО ОБМЕНА Письменные вопросы темы, которые необходимо запомнить по вашему учебнику: синтез кетоновых тел, синтез холестерина (первые три реакции). I. Значимые компоненты липидного обмена 1. Кетоновые тела — к ним относят три органических вещества: ацетоуксусную кислоту (ацетоацетат), β-гидроксимасляную кислоту и ацетон. Причем физиологичными являются только ацетоуксусная и гидроксимасляная кислоты. Ацетон образуется в результате неконтролируемого спонтанного распада ацетоацетата и является шлаком, нуждающимся в выведении из организма. По сути, кетоновые тела (кроме ацетона) являются «дублерами» глюкозы, т. е. тоже могут быть энергетическим горючим для клеток. В норме эта роль принадлежит глюкозе, но, как мы увидим ниже, при некоторых состояниях кетоновые тела берут эту функцию на себя. Следует заметить, что основным кетоновым телом биологических жидкостей является не ацетоуксусная кислота, а гидроксимасляная. т. к. ацетоуксусная кислота может образовывать нежелательный ацетон. 2. Холестерин — способен синтезироваться только в тканях животных организмов. У человека и высших животных синтез холестерина протекает в основном в печени. Холестерин является жизненно необходимым веществом. Можно выделить две основных функции холестерина: а) Сырьевая — наиболее важная функция. Холестерин является источником, молекулярной «болванкой» для образования практически всех стероидов организма. Наиболее важные из них: — стероидные гормоны — ключевой класс продуктов холестеринового обмена, подразделяются на: кортикостероиды (ми85 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ нералокортикоиды, глюкокортикоиды) и половые гормоны (мужские (андрогены) и женские (эстрогены и прогестины)); — витамины группы Д — регуляторы фосфорно-кальциевого обмена, предшественники кальцитриола. Синтезируются их холестерина в коже под действием ультрафиолета; — желчные кислоты и их соли (см. выше). Большая часть холестерина идет на синтез именно этой группы веществ. б) Пластическая функция. Холестерин, наряду с фосфои гликолипидами, участвует в построении клеточных мембран. Правда, его роль в организации билипидных мембран не столь значительна, как у названных липидов. Выведение холестерина. Суточные потери холестерина у взрослого человека составляют примерно 0,5 г. Основной путь выведения — с желчью. Имеются два механизма: а) Выведение свободного холестерина гепатоцитами в просвет ЖКТ. Попадая в толстый кишечник, он подвергается воздействию нормальной микрофлоры, в результате чего превращается в копростерин, который выводится с калом. б) Потери холестерина в виде желчных кислот в ходе гепато-энтеральной циркуляции (см. выше). И еще, хочу поделиться секретом: как легче запомнить реакции синтеза холестерина? Обратите внимание: первые две реакции этого процесса абсолютно идентичны первым двум реакциям синтеза кетоновых тел. Значит, если вы уже выучили синтез кетоновых тел, то уже знаете 2/3 синтеза холестерина. Остается запомнить только 3-ю реакцию. 3. Значение метионина и холина Для синтеза лецитинов (важнейшей группы фосфолипидов) необходимо наличие азотистого основания холина. Между обменом холина и незаменимой аминокислотой метионин существует теснейшая взаимосвязь. Активная форма метионина (S-аденозилметионин), являясь главным донором метильных групп, непосредственно участвует в синтезе холина. При недостатке метионина и холина снижается активность синтеза лецитинов, что приводит к накоплению нейтрального 86 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ жира в клетках печени, т. е. развитию жировой дистрофии печени. Содержание жира в печени в норме не превышает 5% ее сырого веса; при жировой дистрофии печени количество жира в этом органе возрастает и может доходить до 50%. Белок казеин, в состав которого входит большое количество метионина, также обладает «липотропным» действием, т. е. способствует удалению из печени избытка жира. II. Регуляция липидного обмена Можно выделить четыре соподчиненных уровня регуляции обмена липидов (как собственно и любого другого обмена): 1. Нервно-гуморальная регуляция. Жировая ткань богато иннервирована симпатическими волокнами. Их денервация приводит к ожирению. Напротив, при возбуждении симпатических волокон активируется расщепление жиров. Гормоны, участвующие в обмене липидов, можно разделить на две группы: а) способствующие депонированию жира (инсулин, АКТГ, глюкокортикоиды); б) способствующие мобилизации жира (катехоламины, СТГ, ТТГ, тиреоидные, глюкагон, андрогены). 2. Молекулярная регуляция. Вы должны знать регуляцию трех процессов: а) окисление ВЖК: аллостерический фермент — Карнитинацилтрансфераза I, он ингибируется веществом: малонил-КоА; б) синтез ВЖК: аллостерический фермент — Ацетил-КоАкарбоксилаза, он активируется цитратом, а ингибируется ацилКоА; в) синтез холестерина: аллостерический фермент — ГМГКоА-редуктаза, он ингибируется холестерином, или мевалоновой кислотой. III. Патология обмена липидов Следует заметить, что нарушение обмена липидов является главным бичом человечества, рождающим спектр болезней, которые уносят больше жизней, чем иная патология. 87 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ 1. Атеросклероз — болезнь века, стоящая на первом месте по смертности. Именно атеросклероз является причиной ишемической болезни сердца (ИБС), инфаркта миокарда, ишемического инсульта и многого другого. Атеросклеротические изменения начинаются с появления липидных пятен и полосок на внутренней поверхности артерий. Затем на их месте образуются утолщения — атеросклеротические бляшки, являющиеся разрастанием рубцовой ткани. В результате суживается просвет артерий, что ведет к хроническому недостатку кислорода в ткани (ишемия) и может закончиться некрозом. В чем же причина таких изменений? Еще в 1913 г. Н. Аничков доказал связь между уровнем холестерина крови и заболеваемостью атеросклерозом. С тех пор, вот уже больше века, пищевой холестерин является страшилкой для человечества. И совершенно зря. В печени образуется в 4—5 раз больше холестерина, чем потребляется с пищей. Причем, существует обратная взаимосвязь между поступлением экзогенного холестерина и его синтезом. Образование этого вещества притормаживается при его избыточном поступлении с пищей, и наоборот, активируется при снижении поступления его извне. Таким образом, у здорового человека, содержание холестерина крови не будет зависеть от его поступления с пищей. Пищевой холестерин не является определяющим фактором генеза атеросклероза. Более того, как было сказано выше, холестерин является ценнейшим метаболитом. Не верите? Вот вам пример: при вскрытии тел узников фашистских концентрационных лагерей (многие из которых погибли от голода) было обнаружено, что большинство из них было поражено сильнейшим атеросклерозом. Ясно, что питание не было избыточным, но зато все узники находились в состоянии жесточайшего постоянного стресса. Именно гипотеза хронического симпатоадреналового стресса является на сегодня доминирующей в формировании атеросклероза. Основной метаболической причиной атеросклероза 88 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ является не холестерин, и даже не его повышение в крови, а нарушение обмена ЛПНП. Хронические гиперстрессорные адреналовые воздействия нарушают физико-химические свойства ЛПНП, это приводит к их прилипанию к эндотелию сосудов, что и является начальным этапом атеросклероза. 2. Желчнокаменная болезнь При этой патологии в желчном пузыре и желчевыводящих путях появляются желчные камни. По составу желчные камни делят на: холестериновые, билирубиновые и смешанные. Холестериновые камни. Чистые холестериновые камни составляют 2/3 всех желчных камней. В процессе их формирования ключевую роль играет нарушение обмена холестерина желчи: Состояния холестерина желчи: а) Мицеллярное состояние — растворимое. Холестерин растворяется в желчных кислотах. Это возможно, если соотношение желчных кислот к холестерину не менее 12 к 1. У здорового человека весь холестерин желчи находится в составе мицелл. б) Осадок — возникает в том случае, если соотношение желчных кислот к холестерину падает. Избыток нерастворенного холестерина выпадает в осадок. Особенностью осадка является его обратимость: если упомянутое соотношение нормализуется, он вновь растворяется желчными кислотами, т. е. переходит в мицеллярную фазу. 3. Кристаллы. Если соотношение продолжает снижаться, со временем осадок уплотняется и превращается в кристаллы. Сопутствующим условием для возникновения желчных камней является воспаление слизистой желчного пузыря и протоков, что приводит к образованию в их просвете большого количества клеток слущенного эпителия, на основе которых (как жемчуг на песчинке), слой за слоем откладываются кристаллы, формируются и растут желчные камни. 3. Лизосомные болезни Лизосомы — клеточные органеллы, выполняющие функцию утилизации отработанных макромолекул. Все поврежденные 89 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ или лишние крупные частицы (белки, липиды, полисахариды), поглощаются лизосомами, где разрушаются, до составных частей (аминокислоты, ВЖК, глицерин, сфингозин, моносахара), под действием многочисленных гидролаз, находящихся внутри лизосомы. Затем эти растворимые продукты гидролиза диффундируют обратно в цитоплазму. Следует отметить, что макромолекулы могут транспортироваться только в одном направлении — внутрь лизосомы. Наружу выходят уже продукты их распада. Если же наблюдается наследственное отсутствие какого либо лизосомного фермента (в результате мутации его гена), то соответствующий ему субстрат будет накапливаться внутри лизосом. Это неизбежно приводит к деформации клеток, расстройству их функций и, следовательно, нарушению работы всего органа или ткани. Эволюционно сложилось так, что чаще генетическим дефектам подвергаются ферменты, ответственные за расщепление сфинголипидов. Наиболее известные лизосомные заболевания: а) Болезнь Тея — Сакса — самая распространенная лизосомная патология, при которой в тканях накапливаются ганглиозиды. Вначале поражается сетчатка (дети слепнут), затем — мозг. б) Болезнь Нимана-Пика — накапливается сфингомиелин. Болезнь проявляется у детей уже вскоре после рождения и приводит к задержке умственного развития и смерти в раннем возрасте. в) Болезнь Гоше — накопление в мозгу, селезенке и печени цереброзидов. Прогноз также неблагоприятный. 4. Сахарный диабет — распространенная патология, характеризующаяся нарушением депонирования глюкозы. Различают две клинических формы этого заболевания: а) диабет I типа (инсулинзависимый) — заболевание с наследственной предрасположенностью, при котором основной причиной патологии является снижение уровня инсулина в крови. Заболевают чаще в детском или молодом возрасте (причем, чем раньше возникло заболевание, тем тяжелее течет процесс). Лечат подкожным введением инсулина. 90 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ б) диабет II типа (инсулиннезависимый) — менее тяжелое заболевание, причиной которого является старческая деградация клеточных рецепторов к инсулину. Болеют пожилые полные люди. Лечится таблетированными препаратами. Клинические симптомы сахарного диабета легко запомнить, т. к. они логически вытекают из простого факта: в норме инсулин переводит глюкозу из крови в клетку. Если уровень инсулина снижен (или он не может действовать из-за поломки рецепторов), то глюкоза не способна попадать в клетки и ее уровень в крови неизбежно повышается — гипергликемия. При уровне глюкозы в крови выше 8 мМоль/л, она проникает через почечный барьер в мочу — глюкозурия (в норме глюкоза в моче отсутствует). При повышенном уровне глюкозы в крови, организм пытается разбавить ее концентрацию усиленным потреблением воды, человек много пьет — полидипсия. Много пьет — много писает — полиурия. Не получая глюкозы, клетки голодают, посылают сигналы в мозг, пациент испытывает голод, много ест — полифагия. И, наконец, чтобы как-то прокормить ткани, печень синтезирует кетоновые тела (дублеры глюкозы) в огромных количествах, их уровень в крови повышается — гиперкетонемия, они проникают в мочу — кетонурия (в норме кетоновые тела в моче отсутствуют). 91 ГЛАВА IX МЕТАБОЛИЗМ БЕЛКОВ I. БЕЛОК ПИЩИ, ЕГО УТИЛИЗАЦИЯ. ГНИЕНИЕ В ТОЛСТОМ КИШЕЧНИКЕ Письменные вопросы темы, которые необходимо запомнить по вашему учебнику: всего одна реакция гниения — образование индикана. Белки являются ключевым и самым дефицитным компонентом пищи. Главной функцией пищевого протеина является строительная. Белок пищи — главный источник построения структур организма. Нельзя забывать и об роли незаменимых аминокислот: валин, лейцин, изолейцин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин и триптофан. В различных продуктах белок содержится в разных количествах. Большинство животных пищевых продуктов содержит значительное количество белка. Особо следует отметить молочные продукты (молоко, творог, сыр), мясо, рыбу, печень, почки, яйца. Из растительных продуктов только бобовые (горох, соя, фасоль, бобы) и злаки содержат белок в определенных количествах. 1. Пищевая ценность белка Следует отметить, что простая сравнительная оценка процентного содержания белка не отражает истинную пищевую значимость продукта, т. к. белок различных групп продуктов весьма различен. Биологическая ценность пищевого белка определяется двумя факторами: а) Аминокислотный состав поступающего с пищей белка Общий белковый пул человеческого организма имеет свой, 92 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ специфический аминокислотный состав, характеризующийся определенными количественными пропорциями по 20 главным аминокислотам. Степень сходства (или различия) совокупного аминокислотного спектра различных групп живых существ зависит от их эволюционного родства. Чем ближе друг к другу на эволюционном древе находятся разные виды организмов, тем более сходным будет их суммарный аминокислотный профиль. Для человеческого организма большую пищевую ценность имеют животные белки, а из них — белки млекопитающих, как эволюционно более близких наших родственников. Аминокислотный состав таких белков максимально близок к человеческому, что способствует наиболее полному усвоению протеинов. Меньшую пищевую ценность имеют белки эволюционно далеких от приматов групп животных (крабы, моллюски, черви), и еще меньшую — протеины грибов и растений. Низкую пищевую ценность растительного белка наиболее ярко иллюстрирует ограничивающее правило Либиха — аминокислоты белка пищи усваиваются организмом в количествах, пропорциональных количеству самой редко встречающейся аминокислоты продукта. Это означает, что если, к примеру, в белке кукурузы самой редкой аминокислотой является лизин, то остальные аминокислоты этого злака всасываются не полностью, а в количествах, эквивалентных лизину. Остальная часть аминокислот (большая часть) не усваивается. б) Способность белка к гидролизу пищеварительными ферментами Не все белки одинаково легко перевариваются в ЖКТ человека. Существует группа белков, совершенно не способных расщепляться. α-кератины дериватов кожи например (белки кожи, волос, ногтей и др.), не утилизируются даже микроорганизмами. Коллаген также не способен перевариваться в человеческом организме. Пищевая ценность подобных белков равна нулю. 2. Азотистый баланс 93 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ В среднем, норма потребления белка взрослого человека массой 70 кг составляют 100—150 г в сутки. Поскольку белки — важнейшая группа биомакромолекул, обеспечивающая само существование жизни, очевидно, контроль баланса между интенсивностью поступления белков (и аминокислот) в организм с пищей с одной стороны и потерей белка с другой стороны, имеет колоссальное медико-биологическое значение. Правда здесь возникает проблема: можно подсчитать массу входящего с пищей белка, на как зафиксировать количество потерь, если белковые молекулы распадаются, а выводятся лишь их обломки? Наиболее удобным маркером количества белка является азот. В среднем, 1 грамм азота содержится в 6,25 г белка. Используя этот коэффициент пересчета можно по массе выделяемого с мочой азота (в основном азот мочевины, креатинина и аммонийных солей) легко подсчитать количество распадающегося за это время белка. Азотистый баланс — динамическая оценка белкового баланса организма по разнице между количеством азота, поступающего с пищей и выделяемого с мочой за единицу времени. Виды азотистого баланса: а) Положительный азотистый баланс отмечается, когда количество поступаемого с пищей азота (белка) выше выводимого. Положительный азотистый баланс характерен для состояний, сопровождающихся увеличением массы тканевых структур организма: детский возраст (темпы роста ребенка тем интенсивнее, чем меньше его возраст), беременность, период реконвалесценции (выздоровления) после тяжелых болезней и др. б) Отрицательный азотистый баланс — количество поступаемого с пищей азот ниже выводимого; развивается при состояниях, сопровождающихся снижением общего количества белковой массы организма в основном за счет структурных белковых формаций. Сюда можно отнести старение, голодание (в т.ч. и белковое), тяжелые истощающие болезни и др. в) Азотистое равновесие отражает нормальное состояние здорового взрослого человека, характеризующееся нулевым ба94 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ лансом между количеством поступающего и выводимого азота. 3. Переваривание и всасывание белков Переваривание пищевых белков начинается в желудке, где они вначале денатурируют под действием соляной кислоты (разворачиваются до первичных нитей), а затем подвергаются расщеплению под действием пищеварительных ферментов. Замечу, что все пептидазы (или протеазы — ферменты, расщепляющие белок) вначале синтезируются в неактивной форме. Это механизм защиты, ведь клетки построены, в основном, из белка, и, если бы пептидаза образовывалась в активной форме, она, первым делом разрушала бы собственную материнскую клетку, а это недопустимо. Поэтому неактивные формы протеаз секретируются клетками, доставляются в нужное место и уже там активируются. Переваривание белка можно разделить на две стадии: 1. Работа эндопептидаз — они расщепляют белковую нить изнутри, деля ее на все более мелкие кусочки — олигопептиды; 2. Действие экзопептидаз — «откусывают» от образовавшихся олигопептидов по одной аминокислоте с обоих концов, пока не гидролизуют его до аминокислот. К эндопептидазам относят: а) Ферменты желудка: — пепсин — синтезируется главными клетками желудка в виде пепсиногена и активируется в просвете желудка пепсином (аутоактивация) при участии соляной кислоты; — гастриксин — фермент грудных детей, створаживающий молоко; б) Ферменты поджелудочной железы: — трипсин — синтезируется в виде трипсиногена, который активируется в 12-перстной кишке энтерокиназой; — химотрипсины — имеют три неактивных формы (α-, δ-, π-) и эластаза (неактивная — проэластаза) — все они, попадая в 12перстной кишку, активируются трипсином. Экзопептидазы 95 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ Поскольку у пептидной цепи 2 конца, экзопептидазы делят на аминопептидазы (синтезируются в тонком кишечнике) и карбоксипептидазы (образуются в поджелудочной железе). Всасывание продуктов переваривания происходит в проксимальных отделах тонкой кишки. Причем, всасываются только аминокислоты. Существует два механизма всасывания: облегченная диффузия и активный транспорт, о которых написано выше (см. всасывание углеводов). 4. Гниение — процесс расщепления аминокислот и белка под действием бактерий. Не всосавшиеся в процессе пищеварения аминокислоты идут в толстый кишечник, где подвергаются утилизации кишечной палочкой (e. coli). В процессе гниения, три группы аминокислот могут образовывать яды: а) серосодержащие (цистеин и метионин) — образуют сероводород (SH2) и метилмеркаптан (H3C- SH); б) основные — превращаются в «трупные яды»: кадаверин (продукт распада лизина) и путресцин (из орнитина); в) циклические: фенилаланин и тирозин превращаются в фенол, а триптофан — в индол. «Трупные яды» обезвреживаются непосредственно в стенке тонкого кишечника, а остальные токсины всасываются в систему воротной вены, попадают в печень, где и инактивируются. Индол, к примеру, превращается в безвредный индикан, по определению которого в крови оценивают работу печени и почек. II. КАТАБОЛИЗМ АМИНОКИСЛОТ, МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Письменные вопросы темы, которые необходимо запомнить по вашему учебнику: дезаминирование (4 типа), механизм окислительного дезаминирования (через иминокисоты), трансаминирование, трансдезаминирование, декарбоксилирование 96 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ (здесь — внимание: типы декарбоксилирования пропускаем, учим образование биогенных аминов: триптамина, серотонина, гистамина, ГАМК). Эта тема (как и две последующих) изобилуют графическим материалом. Пусть вас не удивляет, что в этой книге они представлены так коротко. Увы: здесь мало устных вопросов, в основном придется учить уравнения процессов. 1. Дезаминирование — процесс отщепления от аминокислоты аминогруппы, которая уходит в виде аммиака (NH3). Выделяют 4 типа: восстановительное, гидролитическое, внутримолекулярное и окислительное. Для человека характерно окислительное, оно приводит к образованию кетокислот (пируват, оксалоацетат, альфа-кетоглутарат), которые «сгорают» в дихотомическом пути, давая энергию АТФ. Катализируют этот процесс ферменты оксидазы, коферментом которых выступает ФАД. Главная цель дезаминирования — уничтожение лишних аминокислот. Основная проблема этого процесса — образование аммиака — главного внутреннего яда нашего организма (о проблеме его обезвреживания речь пойдет в следующей теме). 2. Трансаминирование — процесс взаимодействия аминокислоты с кетокислотой, при котором эти вещества меняются амино- и кетогруппой. При этом аминокислота превращается в соответствующую кетокислоту, а кетокислота — в амино-. Ферменты этого процесса — аминотрансферазы, которые в медицине обычно называют трансаминазами. Их коферментом является производное витамина В6, имеющее две активных переходных формы: пиридоксальфосфат и пиридоксаминфосфат. Биологическая роль: если дезаминирование направлено на уничтожение аминокислот, то трансаминирование — главный процесс синтеза новых заменимых аминокислот. 3. Медицинское значение трансаминаз В лабораторной диагностике распространены тесты на два фермента этой группы: АсАТ (аспартатаминотрансфераза) и АлАТ (аланинаминотрансфераза). Пусть вас не пугают страшные названия, их никто с вас не спросит. Любой врач применяет только 97 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ сокращения: АсАТ и АлАТ. Клиническое значение этой пары ферментов — они (как и ЛДГ (см. «Изоферменты»)) являются маркерами деструкции, т. е. гибели клеток. Поскольку трансаминазы находятся внутри клеток, они могут попасть наружу (то есть — в кровь) только при разрушении большого количества клеток. Такие происходит при некрозах, инфарктах, агрессивном вирусном воспалении, интоксикациях. Следует заметить, что АсАТ преобладает в миокарде, а АлАТ — в печени. Трудно запомнить? Вот вам прием: где буква «с» — сердце (АсАТ), где «л» — ливер (т. е. печень). Тесты на трансаминазы очень удобны. С их помощью можно отличить инфаркт миокарда (повышение трансаминаз в крови, особенно АсАТ) от стенокардии (трансаминазы в норме). Эти ферменты очень полезны при диагностике поражений печени: даже при незначительных нарушениях работы органа, их уровень в крови повышается (особенно АлАТ). 3. Трансдезаминирование — остроумный процесс дезаминирования аминокислот, при котором организм избегает образование токсичного аммиака, благодаря предварительному трансаминированию с альфа-кетоглутаратом (см. схему в вашем учебнике). 4. Декарбоксилирование — реакции отцепления карбоксигруппы (-СООН) от аминокислоты. Катализируется декарбоксилазами — ферментами, коферментом которых является та же пара производных В6: пиридоксальфосфат и пиридоксаминфосфат. Этот процесс не так выражен в организме, как три предыдущих, поскольку дает гормоноподобные вещества (биогенные амины), которые действуют в мизерных количествах. Не следует забывать, что эти вещества вырабатываются местно и действуют только в той точке, где «родились». Вы должны знать 4 реакции, образующие 4 биогенных амина, характеристика которых дана ниже: а) триптамин — пожалуй, наименее значимый из группы. Его единственный эффект — суживает сосуды, следовательно — 98 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ повышает давление (местно). б) серотонин, который называют иногда «гормоном удовольствия», т. к. увеличение его концентрации в мозге вызывает это чувство. Более важной функцией серотонина является контроль суточных ритмов. В эпифизе, вместе с этим амином вырабатывается гормон мелатонин. Эти два вещества — антиподы. Серотонин — гормон дня, он синтезируется, когда на сетчатку глаза попадает свет. Он стимулирует работу мозга, бодрит, повышает настроение, побуждает к действиям. Мелатонин — гормон ночи, он вызывает торможение нервной системы, подавляет, вызывает глубокий сон. При дефиците серотонина (это случается при недостаточном освещении: в северных районах, или в осенне-зимнее время) возможно развитие депрессий. Кроме того, доказано, что выраженный недостаток серотонина вызывает шизофрению. в) гистамин — пожалуй, самый известный из биогенных аминов. Его избыток в тканях влечет негативные последствия: отек, покраснение, боль, местное повышение температуры, нарушение функции. Сейчас я перечислил 5 симптомов воспаления. Следовательно, гистамин — индуктор воспаления. Кроме того, избыток гистамина вызывает аллергию. В аптечных сетях продается масса антигистаминных препаратов (диазолин, супрастин, цитрин, кларитин, лорагексал и др.), которые широко применяют как при лечении аллергических процессов, так и при воспалительных состояниях. г) гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) — тормозной медиатор головного мозга. ГАМК — единственный биогенный амин, который применяют, как лекарство. Его назначают при патологическом возбуждении ЦНС: эпилепсии, реактивных психозах, старческих невропатиях и др. 99 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ III. ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ АММИАКА Письменные вопросы темы, которые необходимо запомнить по вашему учебнику: синтез глутамина (1 реакция), синтез мочевины (орнитиновый цикл). 1. Проблема обезвреживания аммиака В среднем, в организме человека в сутки распадается 70 г белка (аминокислот) и все это — путем дезаминирования. Представьте: сколько ядовитого аммиака образуется? К слову, токсичность аммиака связана с тем, что, когда NH3 попадает в клетку, он взаимодействует с кетокислотами дихотомического пути (пируват, кетоглутарат, оксалоацетат), превращая их в аминокислоты. Таким образом, этот процесс блокируется, как и все тканевое дыхание. Клетка страдает от ишемии и может погибнуть. Следовательно, образующийся аммиак необходимо обезвреживать. При инактивации он сначала связывается с чемлибо (теряя при этом токсичность, а затем выводится в виде безопасных соединений). Таким образом, обезвреживание NH3 можно подразделить на два этапа: а) связывание аммиака: синтез аспарагина и глутамина (он преобладает); б) выведение NH3: — синтез мочевины — главный путь обезвреживания, протекает в печени; — синтез креатинина — в печени; — синтез мочевой кислоты — в печени; — образование аммонийных солей — в почках. 2. Обезвреживание аммиака у разных организмов подразделяется на 3 типа: а) аммонийтелический путь — основная масса NH3 выделяется в виде аммонийных солей. Этот тип характерен для рыб и морских беспозвоночных; б) урикотелический путь — преобладает выделение в виде мочевой кислоты; характерен для рептилий и птиц; 100 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ в) уротелический путь — большая часть аммиака выделяется в виде мочевины; характерен для млекопитающих (в т. ч. и человека). 3. Роль глутаминазы почек в ликвидации ацидоза Глутаминаза — фермент, расщепляющий глутамин на глутаминовую кислоту и аммиак (реакция, противоположная синтезу глутамина). Казалось бы: этот процесс опасен, ведь он выделяет токсичный NH3. Но фокус в том, что данная реакция включается только при ацидозе1 и разрешена только в почках, где аммиак (будучи основанием), нейтрализует кислую среду, нормализуя кислотность и превращаясь в аммоний NH4+, который, не успев натворить бед, тут же выводится почками наружу (с мочой). Согласитесь — остроумно. IV. ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ОБМЕНЫ АМИНОКИСЛОТ Письменные вопросы темы, которые необходимо запомнить по вашему учебнику: превращения глицина в глиоксилат и серин, образование цистина из цистеина, синтез креатинина, обмен фенилаланина. Тема в основном письменная, но остановлюсь на паре важных вопросов. 1. Обмен фенилаланина В учебнике представлена пугающая вязь уравнений, аж на 2/3 страницы. Не паникуйте, учить надо не всю схему, а превращение фенилаланина в глиоксиловую кислоту. Но главное в этом вопросе — не формулы (которые вы быстро забудете), а клиническое значение. Врожденные нарушения обмена фенилаланина дают массу патологии. Вы должны знать следующие заболевания: фенилкетонурия, алкаптонурия, альбинизм, которые уже описаны в этом учебнике. Вот путь их нахож- 1 Ацидоз — закисление крови и тканей (прим. автора). 101 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ дения (как говорят компьютерщики): глава II «ферменты» — медицинская энзимология — энзимопатология. 2. Обмен триптофана — единственный устный вопрос в теме. Триптофан имеет 2 пути катаболизма: а) серотониновый (так распадается всего 1% вещества) — декарбоксилирование до серотонина и дальнейших продуктов выведения. При ряде патологий (карцинома кишечника), по серотониновому пути распадается до 60% триптофана; б) кинурининовый — так утилизируется большая часть аминокислоты. Это сложный безотходный процесс, в конце которого образуется ценнейший кофермент — НАД, участвующий в массе окислительных процессов. При болезни Хартнупа (мутация, повреждающая один из генов ферментов этого процесса) кинуринновый путь блокируется, следовательно, не образуется НАД. Симптомы этой патологии абсолютно совпадают с симптомами гиповитаминоза РР — пеллагры (три «Д»: дерматит, диарея, деменция1). Это объяснимо, ведь витамин РР (никотиновая кислота) тоже превращается в организме в НАД. Выходит, у НАД два источника: триптофан и никотиновая кислота. Вы уже, наверное, догадались, как лечат болезнь Хартнупа — назначением повышенных доз витамина РР (пожизненно). Все просто: если один из путей сломан, удваиваем поступление от второго источника (РР). Такая терапия весьма эффективна. 1 Деменция — приобретенное слабоумие (прим. автора). 102 ГЛАВА X МЕТАБОЛИЗМ ПРОТЕИДОВ. РЕГУЛЯЦИЯ ОБМЕНОВ. РОЛЬ ПЕЧЕНИ В МЕТАБОЛИЗМЕ I. МЕТАБОЛИЗМ НУКЛЕОПРОТЕИДОВ Письменные вопросы темы, которые необходимо запомнить по вашему учебнику: формула по источникам пуринового ядра, синтез пиримидинов, распад пуринов (до мочевой кислоты), распад пиримидинов (достаточно одного из двух вертикальных столбцов). По моему мнению, это — самая бестолковая тема всего курса биохимии: куча бесполезного письменного материала и всего пара вопросов по делу — о них и поговорим. 1. Подагра В крови здорового человека содержится 137—452 мкмоль/л мочевой кислоты. Постоянное повышение ее уровня (гиперурикемия) часто приводит к развитию подагры. Это распространенное заболевание. Мужчины болеют в 20 раз чаще. При подагре происходит образование кристаллов мочевой кислоты или ее солей (уратов), которые формируют подагрические узлы (тофусы). В основном поражаются мелкие суставы и околосуставные ткани стоп, реже — кистей рук. Тофусы механически раздражают ткани, повреждаются лизосомы и освободившиеся лизосомные ферменты в свою очередь разрушают клетки, что вызывает острое воспаление. Главный симптом подагры — повторяющиеся приступы острой боли в суставах. Чаще болезнь начинается с воспаления первого плюснефалангового сустава большого пальца ноги. При кризе боль настолько сильна, что больной не в состоянии выно103 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ сить даже прикосновения простыни. Приступ длится часами и повторяется с перерывами в несколько месяцев. Лечат подагру противовоспалительными и обезболивающими препаратами. Профилактика: специальная диета, ограничивающая продукты с высоким содержанием пуринов. 2. Врожденная оротацидурия Причина этой патологии: снижение активности ферментов, отвечающих за распад оротовой кислоты. Избыток оротовой кислоты выводится с мочой — до 1,5 г в сутки (в 1000 раз больше, чем в норме). Оротовая кислота плохо растворима, поэтому она оседает из мочи в виде мелких белых кристалликов (белое помутнение мочи). При отсутствии лечения наследственная оротацидурия приводит к развитию необратимого резкого отставания умственного и физического развития; обычно больные погибают в первые годы жизни. Оротовая кислота не токсична, нарушения развития являются следствием недостаточности пиримидинов, производных уридина. Поэтому для лечения этой болезни применяют уридин в дозах 0,5—1 г в сутки. Лечение должно продолжаться на протяжении всей жизни. II. МЕТАБОЛИЗМ ХРОМОПРОТЕИДОВ Письменные вопросы темы, которые необходимо запомнить по вашему учебнику: синтез гема (первые две реакции). Вы наверное заметили, что, чем больше устных вопросов в теме, тем она важнее. Так и есть. Данная тема чрезвычайно значима (всего 1 письменный вопрос). I. Обмен железа Самым часто встречающимся металлом в составе хромопротеидов является железо. Железо является единственным металлом, одинаково легко отдающим и принимающим электроны. Это свойство обеспечивает очень «мягкий» и обратимый переход из Fe3+ в Fe2+. 104 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ В организме человека содержится примерно 3—4 г Fe (вес небольшого гвоздя). Все это железо представлено в виде органических соединений и находится в комплексе с различными белками. Большая часть Fe (65—70%) гемоглобина, 25% железа связано с ферритином, 5% — с миоглобином, 0,18% связано с трансферрином. Остальное железо входит в состав цитохромов и других белков. Обновление железа в организме имеет два источника: эндогенный — основной источник, дающий 25 мг Fe в сутки за счет распада собственных железосодержащих белков; экзогенный — поступление железа с пищей. Этот путь в 14 раз менее масштабен — всего 1,5—2 мг Fe в сутки. Важнейшие продукты, содержащие железо — печень и красное мясо (растительное Fe усваивается хуже). Всасывание железа происходит в тонком кишечнике. Причем всасывается только необходимое его количество, остальное выводится наружу с калом. В пище находится трехвалентное железо (Fe3+), которое входит в состав пищевых белков. Важнейшее значение при усвоении железа имеет аскорбиновая кислота, которая восстанавливает его до Fe2+. В таком виде оно попадает в клетки тонкого кишечника и там вновь окисляется до Fe3+, а затем соединяется с внутриклеточным ферритином (содержание железа в нем достигает 20%). Ферритин является главным тканевым депо железа в организме, поэтому содержание этого белка наиболее высоко в тех органах, которые заинтересованы в метаболизме железа, т. е. в красном костном мозге, печени и селезенке. Далее, в клетках кишечника, Fe3+ покидает ферритин и, попадая в кровь, связывается там с трансферрином, который транспортирует его к другим органам и тканям (в основном — в красный костный мозг), где железо вновь депонируется ферритином. II. Распад гемоглобина 105 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ Эритроциты живут 90—120 дней, после чего разрушаются. Вместе сними, в селезенке, красном костном мозге и печени, распадается гемоглобин. Вначале разрывается метеновый мостик между пиррольными кольцами и образуется вердоглобин; он все еще содержит железо и глобин. В дальнейшем вердоглобин избавляется от глобина и железа, превращаясь в биливердин (оба пигмента имеют зеленоватую окраску). Восстановление биливердина приводит к образованию свободного (непрямого) билирубина — одного из ключевых пигментов человеческого метаболизма. Он токсичен и нерастворим в воде и поэтому транспортируется кровью в комплексе с альбумином. Важно: будучи нерастворимым в воде, свободный билирубин не может попадать в мочу. Этот пигмент инактивируется в печени, превращаясь в связанный (прямой) билирубин. Он нетоксичен и прекрасно растворим в воде, и поэтому может попадать в мочу. Большая часть связанного билирубина выделяется печенью с желчью в просвет кишечника. В тонком кишечнике происходит его превращение в мезобилиноген. Примерно 5% которого всасывается в кровь и по системе воротной вены, попадат в печень, где разрушается. Основная часть мезобилиногена, под действием микрофлоры толстого кишечника превращается в стеркобилин. Именно этот пигмент придает характерный цвет каловым массам. III. Желтухи — синдром, характерными признаками которого являются: а) значительное повышение уровня общего билирубина в крови б) пожелтение верхнего неба, затем — склер, затем — кожных покровов. В норме уровень билирубина крови не должен превышать 20,5 мкМоль/л. Отношение свободного билирубина к связанному — 3:1 соответственно. Признаки желтухи становятся видимыми на глаз, если уровень билирубина превышает 35 мкМоль/л. 106 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ Желтухи делятся на: 1. Гемолитическая — возникает при массивном гемолизе. Причины: ошибки при переливании несовместимой группы крови, гемолитическая болезнь новорожденных (резус-конфликт), отравление гемолитическими ядами и др. При этом высвобождается значительное количество гемоглобина, который в процессе распада дает много свободного билирубина. Резкое повышение уровня свободного билирубина в крови является, пожалуй, единственным ярким лабораторным признаком желтухи данного типа. Т. к. клетки печени работают нормально, образование и желчная секреция связанного билирубина идет нормально и уровень этого пигмента в крови остается в пределах нормы. Поскольку свободный билирубин нерастворим в воде, он не проникает через почечный барьер, следовательно, в моче особых изменений не отмечается. В кале возможно незначительное повышение уровня стеркобилина, связанное с усиленным выведением продуктов билирубинового обмена с желчью. 2. Паренхиматозная — возникает при гепатитах разной природы (инфекционный, токсический, алкогольный, аутоиммунный и др.). Ослабленные гепатоциты не успевают с должной скоростью превращать свободный билирубин в связанный, что приводит к повышению уровня свободного билирубина. Образующийся связанный билирубин печень также не в состоянии выделять с желчью и значительная его часть всасывается в кровь. Этот тип желтухи является единственным, при котором в крови отмечается пропорциональное увеличение обоих типов билирубина. Т. к. свободный билирубин растворим в воде, его избыток выводится почками с мочой, что приводит к появлению билирубина в моче. В моче также регистрируется уробилиноген (мезобилиноген), так как, всосавшись в систему воротной вены, он уже не разрушается больными гепатоцитами. В кале значительных изменений не отмечается. 3. Обтурационная — возникает при нарушении оттока желчи из печени. Причины: закупорка желчевыводящего протока желч107 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ ным камнем, внешнее сдавление опухолью, воспаления и спазмы желчных путей. При этом свободный билирубин легко переводится печенью в связанный, но он не способен эвакуироваться в просвет кишечника и вынужден в огромных количествах всасываться в кровь. При этом типе желтухи в крови отмечается резкое повышение связанного билирубина. Связанный билирубин попадает в мочу и регистрируется там. Поскольку в этом случае продукты распада билирубина не попадают в кишечник, уровень стеркобилина там резко снижен, что визуально проявляется в виде обесцвеченного кала. III. РЕГУЛЯЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА I. Общие положения Все процессы регуляции организма направлены на поддержание постоянства внутренних параметров (гомеостаз). Уровни регуляции соподчинены друг другу. Причем все уровни теснейшим образом взаимосвязаны как единая система; между ними существует двухсторонняя связь: высшие уровни регуляции отдают приказы низшим, те их выполняют и посылают обратные сигналы о состоянии организма. Уровни регуляции: 1. Нервная регуляция — является, верховным уровнем управления внутренними процессами. 2. Гуморальная регуляция — система регуляции посредством биологически активных факторов жидких сред организма. Гуморальная регуляция теснейшим образом связана с нервной, что особо ярко проявляется на примере гипоталамо-гипофизарной системы. 3. Клеточная регуляция. Гормоны не могут воздействовать непосредственно на биохимические процессы, их действие осуществляется на уровне клетки. Мишенью действия гормона является соответствующий специфический клеточный рецептор. 4. Молекулярная регуляция. В ходе эволюции сформирова108 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ лось множество метаболических процессов автономного типа, способных к самоконтролю уже на молекулярном уровне путем воздействия метаболитов процесса на активность ключевого аллостерического фермента. Процессы регуляции любой функции сводятся, в конце концов, к управлению биохимическими процессами, лежащими в ее основе. Если вспомнить, что практически все химические реакции организма катализируются соответствующими ферментами, то станет понятно, что управлять метаболическими превращениями легче, воздействуя на соответствующие ферментативные системы данных реакций. Мы видим, что конечным пунктом воздействия любой системы регуляции является фермент. II. Саморегуляция биохимических процессов Начнем снизу, с молекулярного типа регуляции, который является самым распространенным в живом мире. Практически все ферментативные процессы многостадийны, т. е. включают в себя не одну, а несколько химических реакций, каждая из которых катализируется соответствующим ферментом. Причем скорость протекания всего процесса зависит от скорости самой медленной реакции процесса — лимитирующей. Вспомним известную фразу: «скорость движения эскадры равна скорости движения самого медленного корабля»; разумеется, увеличив или уменьшив скорость движения этого судна, мы изменим скорость всей эскадры. Примерно так же осуществляется регуляция метаболических процессов: контроль скорости всего процесса реализуется путем изменения скорости фермента (аллостерического), катализирующего лимитирующую реакцию. На аллостерический центр такого фермента воздействуют эффекторы (активаторы и ингибиторы), изменяющие его активность и, следовательно, скорость всего процесса. Ингибитором аллостерического фермента является, как правило, конечный продукт лимитирующей реакции или всего процесса. В качестве активаторов чаще выступают исходные субстраты. 109 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ III. Клеточная регуляция — процесс передачи сигнала от гормона внутрь клетки. Клеточная регуляция имеет два механизма действия: 1. Мембранная регуляция. Большинство гормонов действуют на рецепторы клеточных мембран и посредством каскадных мембранных механизмов (аденилатциклазная система и др.) изменяют активность тех или иных ферментативных систем, изменяя тем самым скорость метаболических процессов. Это система быстродействия — действие осуществляется очень быстро, но в течение короткого промежутка времени. 2. Ядерная регуляция. Стероидные и тиреоидные гормоны, будучи гидрофобными по структуре, легко проникают сквозь билипидный слой клеточных мембран, и уже в цитозоле взаимодействуют со специфическими рецепторными белками, после чего проникают в ядро и воздействуют на ген фермента, ускоряя или замедляя его синтез на рибосоме. Это система дальнедействия — регуляция осуществляется медленно, но надолго. IV. Гуморальная регуляция К гуморальным регуляторам можно отнести гормоноподобные вещества (гормоноиды), рилизинг факторы, медиаторы, коферменты, метаболиты, но важнейшими гуморальными регуляторами являются гормоны — химические агенты, выделяемые эндокринными железами в кровь и действующие в масштабе всего организма (в отличие от гормоноидов, которые синтезируются в тканях и секретируются не в общий кровоток, а по месту синтеза, следовательно, обладают не общим, а местным действием). Классификация гормонов: 1. Сложные белки (ФСГ, ЛГ, ТТГ); 2. Простые белки (пролактин, СТГ, инсулин и др.); 3. Пептиды (АКТГ, глюкагон, вазопрессин, окситоцин, глюкагон и др.) 4. Производные аминокислот (катехоламины, тироксин и др.); 5. Стероиды (глюкокортикоиды, минералокортикоиды, ан110 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ дрогены, эстрогены и прогестины). Важно: по гормонам вас ждет контрольная работа, поэтому формулы гормонов 3-й, 4-й и 5-й групп придется выучить (самое трудное — формулы стероидных гормонов). Иерархия гуморальной системы Координатором гуморальной системы является гипоталамус, который получает и объединяет сигналы, идущие из центральной нервной системы. В ответ на возбуждение определенных центров мозга гипоталамус выделяет либерины и статины, которые поступают в переднюю долю гипофиза, стимулируют (либерины) или подавляют (статины) секрецию соответствующих тропных гормонов клетками гипофиза. (К слову: вазопрессин и окситоцин к гормонам задней доли гипофиза относят условно, поскольку синтезируются они тоже в нейронах гипоталамуса, после чего спускаются по аксонам до задней доли гипофиза, откуда выделяются в кровь). Действие гормонов специфично, т. е. направлено только на определенные клетки, которые называют клетками-мишенями соответствующего гормона (обладающими рецепторами к нему). Клетки-мишени подразделяют по уровням иерархии гуморального воздействия на: а) Первичные мишени — клетки аденогипофиза, принимающие сигнал от гипоталамуса. Первичные мишени выделяют вторичные регуляторы — тропные гормоны; б) Вторичные мишени — клетки некоторых эндокринных желез (надпочечники, щитовидная, половые железы и др.), принимающие сигналы от первичных мишеней (гипофиза). Тропные гормоны регулируют продукцию соответствующих гормонов вторичных эндокринных желез; в) Конечные мишени — соматические клетки периферических тканей, способные воспринимать гуморальные сигналы от вторичных мишеней. Функциональная активность гуморальной системы не является однонаправленно-нисходящей. Исполнение регуляторных приказов сверху контролируется также с помощью механизмов, 111 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ работающих по принципу обратной связи. Пример: тиреотропный гормон (ТТГ) стимулирует выделение щитовидной железой тироксина и трийодтиронина, которые попадают далее в ткани. Однако, будучи в крови в избытке, эти гормоны тормозят выделение ТТГ гипофизом. Векторы регуляции метаболизма Гуморальная и нервная регуляции способны действовать на обменные процессы только в двух направлениях: 1. Депонирование — процессы, направленные на запасание метаболита в клетках и снижение его уровня в крови. Для углеводного обмена, например, это усиление синтеза гликогена и, следовательно, снижение уровня глюкозы крови; для фосфорнокальциевого обмена — усиление поступления кальция и фосфатов в организм и их депонирование в костях; 2. Мобилизация — здесь обратная тенденция: распад депо до метаболита, который попадает в кровь, повышая там свою концентрацию. Для липидного обмена, например — внутриклеточное расщепление нейтрального жира до ВЖК и глицерина, которые идут в кровь (их уровень в крови повышается). Для белкового обмена: гидролиз белка до аминокислот, которые, опять же, идут в кровь. Ниже приводится сводная информация по гуморальной регуляции всех обменов: Углеводный обмен: депонирует: инсулин; мобилизуют: адреналин, глюкагон, СТГ, тироксин, глюкокортикоиды; Липидный обмен: депонирует: глюкокортикоиды, инсулин; мобилизуют: адреналин, глюкагон, СТГ, тироксин, андрогены; Белковый обмен: депонируют: СТГ, инсулин, андрогены; мобилизуют: глюкокортикоиды, адреналин, глюкагон, тироксин; Водно-солевой обмен: 112 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ депонируют: вазопрессин, альдостерон, ренин; Фосфорно-кальциевый обмен: депонируют: кальцитонин, кальцитриол (производное вит. D); мобилизует: паратгормон. IV. РОЛЬ ПЕЧЕНИ В МЕТАБОЛИЗМЕ Печень можно назвать главным биохимическим органом. Именно печень является стержнем всего метаболизма в целом; котлом, где варятся все биохимические процессы, звеном, объединяющим и регулирующим их. I. Функции печени 1. Экспортная. Печень можно смело назвать главным синтезирующим органом. Причем большую часть субстратов печень синтезирует не для себя, а для нужд других органов и тканей. Если говорить о веществах, образуемых клетками печени на экспорт, то особо следует назвать следующие группы метаболически важных веществ: белки, глюкоза, липиды, кетоновые тела. 2. Пищеварительная. Печень является самой крупной железой организма. Ее секрет — желчь, участвует в утилизации жиров пищи. 3. Выделительная. Печень — орган выделения, удаляющий с желчью излишки холестерина, билирубин и некоторые другие метаболиты. 4. Дезинтоксикационная (в т. ч. и синтез мочевины). Печень является основным органом, обеспечивающим обезвреживание токсинов (см. ниже). 5. Гомеостатическая. Печень депонируя продукты, всосавшиеся в ходе пищеварения, поддерживает уровень глюкозы, аминокислот и др. в крови на постоянном уровне. II. Роль печени в метаболизме 113 ЮРИЙ КРИВЕНЦЕВ 1. Углеводный обмен: а) утилизация глюкозы б) продукция глюкозы — распад гликогена — глюконеогенез в) пентозный путь 2. Белковый обмен: а) синтез белков б) синтез аминокислот в) распад аминокислот г) обезвреживание аммиака 3. Липидный обмен: а) окисление ВЖК б) утилизация хиломикронов в) синтез холестерина, кетоновых тел, ВЖК, нейтрального жира, фосфолипидов и холина г) образование ЛПОНП, ЛПВП. III. Обезвреживающая функция печени Печень — главный орган дезинтоксикации, обезвреживающий как внешние токсины (ксенобиотики), попадающие в организм, так и токсичные продукты жизнедеятельности (шлаки). Несмотря на огромное число существующих ядов, все они обезвреживаются в печени практически одинаково, минуя две стадии дезинтоксикации: 1. Микросомальное окисление — первичная обработка, в процессе которой к молекуле токсина крепится функциональная группа (чаще — ОН). Ключевую роль в этом процессе играет цитохром Р-450. Чем выше его концентрация в клетках печени, тем эффективнее идет обезвреживание. Замечено, что при длительном контакте с ксенобиотиками (хронические отравления, алкоголизм и др.) уровень цитохрома Р-450 значительно повышен. 2. Конъюгация — через функциональную группу, образовавшуюся на первой стадии, к молекуле яда присоединяется хоро114 БИОХИМИЯ ДОСТУПНЫМ ЯЗЫКОМ шо растворимое вещество, после чего комплекс: токсин-конъюгатор теряет токсические свойства и в растворимой форме выводится почками с мочой. Наиболее активными конъюгаторами являются: глюкуроновая кислота и сульфатный остаток. 115 ОГЛАВЛЕНИЕ От автора ПЕРВЫЙ СЕМЕСТР Глава I БЕЛКИ I. Аминокислоты II. Глобулярные белки III. Фибриллярные белки IV. Белок в растворе Глава II ФЕРМЕНТЫ I. Ферменты, их строение, изоферменты II. Кинетика и механизм ферментативных реакций III. Регуляция ферментов, классификация Глава III ВИТАМИНЫ Глава IV ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН I. Основы обмена II. Основы биоэнергетики Глава V МАТРИЧНЫЕ БИОСИНТЕЗЫ I. Строение нуклеиновых кислот II Матричные биосинтезы Глава VI БЕЛКИ ПЛАЗМЫ КРОВИ ВТОРОЙ СЕМЕСТР Глава VII МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ I. Общая характеристика, утилизация углеводов II. Метаболизм углеводов III. Пентозный путь. Регуляция и патология углеводного обмена Глава VIII МЕТАБОЛИЗМ ЛИПИДОВ I. Липиды: общие сведения, утилизация II. Транспорт и метаболизм липидов III. Клиническое значение, регуляция патология липидного обмена Глава IX МЕТАБОЛИЗМ БЕЛКОВ I. Белок пищи, его утилизация. Гниение в толстом кишечнике 3 5 7 8 9 11 13 16 16 20 24 29 36 36 40 48 48 51 60 63 66 66 70 73 76 76 81 85 92 92 II. Катаболизм аминокислот, медицинское значение III. Обезвреживание аммиака IV. Индивидуальные обмены аминокислот Глава X МЕТАБОЛИЗМ ПРОТЕИДОВ. РЕГУЛЯЦИЯ ОБМЕНОВ. РОЛЬ ПЕЧЕНИ В МЕТАБОЛИЗМЕ I. Метаболизм нуклеопротеидов II. Метаболизм хромопротеидов III. Регуляция метаболизма IV. Роль печени в метаболизме 96 100 101 103 103 104 108 113 Юрий Кривенцев Биохимия доступным языком Учебник-репетитор Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
