Модуль. Строение и свойства белков и ферментов

ГБОУ ВПО Тверская ГМА МЗ ЗФ

Кафедра химии и биохимии

ЛЕКЦИИ ПО БИОХИМИИ

ТВЕРЬ,2012

Модуль. Строение и свойства белков и ферментов

Вводная лекция.

Предмет и задачи биологической химии, ее значение для биологии и медицины. Важнейшие этапы в истории биохимии. Основные принципы биохимических исследований в медицине. Место биохимии среди других биологических дисциплин. Биохимия как молекулярный уровень изучения явлений жизни. Биохимия и медицина (значение клинической биохимии в диагностике и определении тактики лечения различных заболеваний).

Аминокислоты и структуры белка.

a–аминокислоты — это органические кислоты, у которых один из атомов водорода у α-С-атома замещен на аминогруппу. Классификация протеиногенных аминокислот возможна: по строению радикала, по полярности радикала, по степени незаменимости аминокислот, по кислотно-основным свойствам. Для аминокислот характерны следующие физико-химические свойства: ионизация (диссоциация карбоксильных и протонирование аминогрупп), изоэлектрическое состояние, изоэлектрическая точка, амфотерность аминокислот и их буферные свойства.

Белки –это высокомолекулярные азотсодержащие органические соединения, состоящие из аминокислот, соединенных пептидной связью в полипептидные цепи. Белки выполняют в организме многочисленные функции: ферментативную, гормональную, рецепторную, транспортную, структурную, иммунологическую и др. Белки имеют сложную форму структурной организации.

Первичная структура белка –это линейная последовательность аминокислот, соединенных между собой в цепь пептидными связями.

Вторичная структура белка - это способ укладки стержня пептидной цепи (первичной структуры) в упорядоченную a–спираль или b–структуру при помощи водородных связей.

Альфа-спираль (a-спираль) – вторичная структура, формируемая остовом полипептидной цепи. Она представляет собой правую спираль, у которой на один виток приходится 3,6 аминокислотных остатка. Спираль стабилизирована водородными связями между группами СО и NH различных мономерных звеньев, отстоящих друг от друга на расстояние 4 остатков аминокислот. Водородные связи направлены вдоль оси спирали.

Бета-структура - b-слой или «складчатый лист» - один из регулярных элементов вторичной структуры белка: между несколькими вытянутыми (деспирализованными) полипептидными цепями возникают водородные связи (между группами СО одной цепи и NН другой).

Третичная структура белка – способ укладки a–спирали или b–структуры в пространстве (глобулярные, фибриллярные белки). Третичную структуру стабилизируют ионные, водородные, ковалентные (дисульфидные) связи и гидрофобные взаимодействия.

Четвертичная структура белка –это объединение нескольких полипептидных цепей с третичной структурой в единую функциональную молекулу белка.

Классификация белков осуществляется: по структурным признакам (простые и сложные); по электрохимическим признакам (кислые, основные и нейтраль­ные); по полярным признакам (полярные [гидрофильные], неполярные [гидрофобные], амфифильные); по форме молекул (глобулярные, фибриллярные); по функциям (транспортные, белки–ферменты, гормоны, антитела, структурные и т.д.).

Характеристика (особенности аминокислотного состава, молекуляр­нуая масса, заряд, структура и функции) и основные представители простых белков (альбумины, глобулины, протамины, гистоны). Химический состав и структура сложных белков: белковая часть – апопротеин, небелковый компонент – простетическая группа. Принципклассификации(по названию простетической группы) и классы сложных белков.

Методы изучения аминокислот и белков: выделение, очистка, качественный и количественный анализ, хроматография, электрофорез.

Классификация витаминов

I Жирорастворимые

II Водорастворимые

III Витаминоподобные вещества (синтезируются из промежуточных продуктов обмена веществ и выполняют функции, сходные с витаминами)

Жирорастворимые витамины:

- A (антиксерофтальмический), ретинол

- D (антирахитический), кальциферолы

- K (антигеморрарический), нафтохиноны

- E (витамин размножения), токоферолы

Водорастворимые витамины:

- B₁ (антиневритный), тиамин

- B₂ (витамин роста), рибофлавин

- B₃ (антидерматитный), пантотеновая кислота

- B₅ (PP – антипеллагрический), никотинамид

- B₆ (антидерматитный), пиридосин

- B₉ (антианемический), фолиевая кислота

- B₁₂ (антианемический), кобаламин

- H (антисеборейный), биотин

- C (антискорбутный), аскорбиновая кислота

- P (капилляроукрепляющий), биофлавоноиды

Витаминоподобные вещества («витамины»):

- F (линолевая, линоленовая, арахидоновая кислоты)

- B₄ (холин)

- B₈ (инозит)

- B₁₃ (оротовая кислота)

- B₁₅ (пангамовая кислота)

- Bт (карнитин)

- N (липоевая кислота)

- коэнзим Q (убихинон)

- Парааминобензойная кислота

- U (S-метил-метионин – противоязвенный фактор)

Водорастворимые витамины

Название	Суточная потребность, мг	Кофермент-ная форма	Биологические функции	Характер-ные признаки авитаминозов
В1 (тиамин)	2-3	ТДФ	Декарбоксилирование а-кетокислот, перенос активного альдегида (транскетолаза)	Полиневрит
В 2 (рибофлавин)	1,8-2,6	ФАД ФМН	В составе дыхательных ферментов, перенос водорода	Поражение глаз (кератиты, ката­ракта)
В3 (пантотено-вая кислота)	10-12	KoA-SH	Транспорт ацильных групп	Дистрофии-ческие изменения в надпочеч-никах и нервной ткани
В6 (пиридоксин)	2-3	ПФ (пиридоксаль-фосфат)	Обмен аминокислот (трансаминирование, декар­боксилирование)	Повышенная возбуди-мость нервной системы, дерматиты
РР (ниацин)	15-25	НАД НАДФ	Акцепторы и переносчики водорода	Симметрич-ный дерматит на открытых участках тела, деменция и диарея
Н (биотин)	0,01-0,02	Биотин	Фиксация С02, реакции карбоксилирования (например, пирувата и ацетил-КоА)	Дерматиты, сопровождающиеся усиленной деятельнос-тью сальных желёз
В9 (фолиевая кислота)	0,05-0,4	Тетрагидро-фолиевая кислота	Транспорт одноуглеродных групп	Нарушения кроветворения (анемия, лей­копении)
В12 (кобаламин)	0,001-0,002	Дезоксиаде-нозил- и метилкобала-мин	Транспорт метильных групп	Макроцитарная анемия
С (аскорбино-вая кислота)	50-75		Гидроксилирование пролина, лизина (синтез коллагена), антиоксидант	Кровоточи-вость дёсен, расшатыва-ние зубов, подкожные кровоизлия-ния, отёки
Р (рутин)	Не установлена		Вместе с витамином С уча­ствует в окислительно-вос­становительных процессах, тормозит действие гиалуронидазы	Кровоточи-вость дёсен и точечные кровоизлия-ния

Жирорастворимые витамины

Название	Суточная потребность, мг	Биологические функции	Характерные признаки авитаминозов
А (ретинол)	1-2,5	Участвует в акте зрения, регулирует рост и дифференцировку клеток	Гемералопия (куриная слепота), ксерофтальмия, кератомаляция, кератоз эпителиальных клеток
D (кальциферол)	0,012-0,025	Регуляция обмена фосфора и кальция в организме	Рахит
Е (токоферол)		Антиоксидант; регулирует интенсивность свободнорадикальных реакций в клетке	Недостаточно изучены; известно положительное влияние на развитие беременности и при лечении бесплодия
К (нафтохинон)	1-2	Участвует в активации факторов свёртывания крови: II, VII, IX, XI	Нарушение свёртывающей системы крови

Цикл трикарбоновых кислот

Круговорот веществ. В природе существует единый цикл жизни. Фотосинтезирующие клетки растений (аутотрофы) улавливают солнечную энергию и используют её на превращения неорганических веществ — СО₂, Н₂О, N, S в разнообразные, богатые энергией органические соединения (белки, липиды, углеводы). Эти органические молекулы являются пищей для гетеротрофов (животные, человек). Поступая в их организм, они расщепляются с выделением энергии и образованием простых молекул (СО_2, Н₂О, и мочевины). Попадая в окружающую среду, эти молекулы ассимилируются растениями, и цикл жизни повторяется.

Метаболизм – это совокупность всех биохимических реакций в организме (анаболизма и катаболизма), сопровождающаяся обменом энергии. Анаболизм –совокупность биохимических реакций, в результате которых из простых веществ образуются более сложные, что сопровождается затратой энергии. Катаболизм –совокупность биохимических реакций, в результате которых из сложных веществ образуются простые и происходит выделение энергии.

Катаболизм веществ в организме человека условно делят на 3 фазы. I фаза —подготовительная (в желудочно-кишечном тракте) — перевод пищевых или внутриклеточных биополимеров в мономеры, в результате чего происходит разрушение видовой и антигенной специфичности компонентов пищи. II фаза —(в цитоплазме клеток и в митохондриях) —образование из аминокислот, моносахаров и высших жирных кислот универсального субстрата для ЦТК — ацетил-КоА. III фаза —(в митохондриях) — полное окисление ацетил–КоА в цикле Кребсадо СО₂и перенос протонов и электронов с помощью НАД- и ФАД-зависимых дегидрогеназ в дыхательную цепь, а затем на кислород с целью образования АТФ (окислительное фосфорилирование) и тепла.

Процесс анаболизма также имеет 3 основные фазы, но анаболические реакции не являются обратным реакциям катаболизма, поскольку имеют различную внутриклеточную локализацию, другие регуляторные ферменты и протекают с затратой энергии. Взаимосвязь между процессами катаболизма и анаболизма осуществляется через АТФ, который является универсальным макроэргом в клетках живых организмов. Его молекула служит звеном, связывающим между собой различные виды трансформации энергии: химические, механические, электрические, осмотические и другие процессы, идущие с выделением и потреблением энергии. Макроэргическимисоединениями называют вещества, аккумулирующие энергию. Эта энергия используется для удовлетворения энергетических потребностей клетки.

Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот, ЦТК) — это циклическая система реакций. ЦТК начинается с взаимодействия ацетил-КоА и оксалоацетата (щавелевоуксусной кислоты - ЩУК) с образованием лимонной кислоты (цитрата). Через ряд реакций образуется снова ЩУК, но в ходе этих реакций молекула ацетил-КоА окисляется до 2 СО₂. При этом коферменты 3 НАД и 1 ФАД восстанавливаются до 3 НАД∙Н+Н⁺ и ФАД∙Н₂. При окислении 3 НАД∙Н+Н⁺ и ФАД∙Н₂ в дыхательной цепи образуется 11 АТФ (окислительное фосфорилирование); за счет субстратного фосфорилирования синтезируется 1 ГТФ (=1АТФ), и в целом получается 12 АТФ как суммарный энергетический итог ЦТК. ЦТК выполняет также интегративную функцию, объединяя пути катаболизма и анаболизма углеводов, липидов и белков. Субстраты и восстановленные коферменты ЦТК используются для синтеза других веществ, например, из ЩУК образуется аспартат и глюкоза, из сукцинил-КоА – гем и т.д. Регуляция цикла Кребса осуществляется изменением соотношений АТФ/АДФ и НАДН₂/НАД⁺: увеличение в клетке содержания АТФ и НАДН₂ ингибируют, а АДФ и НАД⁺ - активируют основные регуляторные ферменты цикла (цитратсинтетазу, изоцитратдегидрогеназу, α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс).

Катаболизм углеводов

Пентозофосфатный путь превращения глюкозы (ПФП). ПФП называют также апотомическим (прямым) путем окисления глюкозы или гексомонофосфатным шунтом. ПФП состоит из двух стадий: окислительной и неокислительной.

1) В окислительной стадии происходит две реакции дегидрирования. Кофермент НАДФ восстанавливается до НАДФН₂. Пентозы образуются в результате реакции декарбоксилирования.

2) Неокислительная стадия может служить для образования гексоз из пентоз. С помощью этой стадии избыток пентоз, превышающий потребности клетки, может быть возвращен в фонд гексоз. Кроме того, в результате реакций неокислительной стадии из пентоз могут образоваться метаболиты гликолиза (фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат). Считают, что ПФП и гликолиз, протекающий в цитозоле, взаимосвязаны и способны переключаться друг на друга. При ряде патологических состояний (гипоксия, ишемия) удельный вес ПФП в окислении глюкозы возрастает .

Окислительная стадия синтеза пентоз и неокислительная стадия возвращения пентозх в гексозы вместе составляют циклический процесс – пентозофосфатный цикл.За один оборот цикла полностью распадается одна молекула глюкозы.

Суммарное уравнение пентозофосфатного цикла:

6 Глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ→6 СО₂+ 12 НАДФН₂+ 5 глюкозо-6-фосфат

Пентозофосфатный путь обеспечивает клетку рибозой, необходимой для синтеза

мононуклеотидов, необходимых для синтеза нуклеиновых кислот и ряда коферментов. НАДФН₂ являются донором водорода при синтезе ВЖК и холестерина.

Наиболее активно ПФП протекает в жировой ткани, молочной железе, коре надпочечников, печени.

Глюконеогенез – процесс синтеза глюкозы из веществ неуглеводной природы. Его основной функцией является поддержание уровня глюкозы в крови в период длительного голодания и интенсивных физических нагрузок. Процесс протекает в основном в печени и менее интенсивно в корковом веществе почек, а так же в слизистой оболочке кишечника. Эти ткани могут обеспечивать синтез 80-100 г глюкозы в сутки. На долю мозга при голодании приходится большая часть потребности организма в глюкозе. Это объясняется тем, что клетки мозга неспособны, в отличие от других тканей, обеспечить потребности в энергии за счет окисления жирных кислот. Кроме мозга в глюкозе нуждаются ткани и клетки, в которых анаэробный путь распада невозможен или ограничен, например эритроциты (они лишены митохондрий), клетки сетчатки, мозгового слоя надпочечников и др. Первичные субстраты глюконеогенеза - лактат, аминокислоты, глицерол.

- Лактат – продукт анаэробного гликолиза. Он образуется в эритроцитах и работающих мышцах.

- Глицерол – высвобождается при липолизе в жировой ткани в период голодания или при длительной физической нагрузке.

- Аминокислоты – образуются в результате распада мышечных белков и включаются в глюконеогенез при длительном голодании или продолжительной мышечной работе.

Большинство реакций глюконеогенеза протекают за счет обратимых реакций гликолиза. 3 реакции гликолиза необратимы, они идут с использованием других ферментов (пируваткарбоксилазы, фосфоенлпируваткарбоксикиназы, фруктозо-1,6-бифосфатазы и глюкозо-6-фосфатазы).

Образование фосфоенолпирувата (первая необратимая реакция) начинается в митохондриях, пировиноградная кислота превращается в оксалоацетат под действием биотинсодержащего фермента пируваткарбоксилазы (+АТФ). Дальнейшее превращение оксалоацетата возможно только в цитозоле, но мембрана митохондрий непроницаема для оксалоацетата, поэтому он восстанавливается за счет НАДН₂ до малата. Малат переносится в цитозоль, где дегидрируется цитоплазматической НАД зависимой дегидрогеназой в оксалоацетат. Образованный оксалоацетат под действием фосфоенолпоруваткарбоксикиназы (ГТФ-зависимой) превращается в фосфоенолпируват.

Все остальные реакции до образования фруктозо-1,6-бифосфата катализируются ферментами гликолиза. Превращение фруктозо-1,6-бифосфата в глюкозо-6-фосфат (вторая необратимая реакция) катализируется ферментом глюкозо-1,6-бифосфатазой, а образование из глюкозо-6-фосфата глюкозы (третья необратимая реакция) идет под действием фермента глюкозо-6-фосфатазы, после чего свободная глюкоза выходит из клетки в кровь.

Гормональные гипергликемии.

У животных уровень глю­козы в крови повышают практически все гормоны, за исклю­чением инсулина. Установлено, что инсулин облегчает транспорт глюкозы через клеточные мембраны, активирует ферменты катабо­лизма этих веществ, и, главное, способствует их превраще­нию в гликоген. Развитие патологии, как правило, связано с формированием относительной или абсолютной недостаточ­ности инсулина в организме.

1) Абсолютная недостаточность инсулинанаблюдается в тех слу­чаях, когда по ряду причин возникает недостаток гормона в крови. У пациента развивается диабет I типа (инсулинзависимый).

2) Относительная недостаточность инсулинанаблюдается, когда по ряду причин не реализуется действие инсулина (например, когда нарушается чувствительность рецепторов к инсулину), что приводит к развитию диабета II типа.

Во всех названных случаях понижается гипогликемическое действие инсулина (транспорт глюкозы через мембраны клеток, катаболизм и превращение глюкозы в гликоген, липиды и другие, биологически важные соединения). В крови от этого повышается содержание глюкозы. В клетки она не поступает, и они испытывают энергетический голод. В связи с этим, клетки «информируют» регуляторные механизмы организма о том, что им не хватает глюкозы. Включаются компенсаторные механизмы, действием которых может повыситься уровень глюкозы в крови и тканях. Ведущим среди них является процесс глюконеогенеза, и, прежде всего образование глюкозы из аминокислот. Но и эта, вновь синтезированная, в основном в печени, и выделенная в кровь глюкоза, не попадает в цитоплазму клеток, не катаболизируется в силу недостаточности инсулина. В конечном итоге в крови еще больше повышается уровень глюкозы. Нарастет явление глюкозурии. В тяжелых случаях сахарного диабета уровень глюкозы в крови у больных поднимается выше 20—25 мМ/л. В моче содержание глюкозы может достигать 5 %. Учитывая, что при сахарном диабете резко возра­стает диурез (до 10 литров мочи в сутки) нетрудно подсчи­тать, какое количество глюкозы теряют больные сахарным диабетом. Для покрытия потребности клетки в энергии в ней усиливается катаболизм жиров и, как результат, образование в повышен­ных количествах кетоновых тел — ацетоуксусной, β-окси-масляной кислот и ацетона. Развивается кетонемия, а затем — кетонурия. Во выдыхаемом больными воздухе ощущается запах ацетона, напоминающий запах моче­ных яблок. Таковы молекулярные механизмы нарушений угле­водного обмена при сахарном диабете.

В нормализации углеводного обмена при сахарном диабете ведущую роль играет инсулин и диета с ограниченны содержанием простых сахаров.

Гипергликемии гормональные наблюдаются также при нарушении функциональной активности других эндокринных желез, как правило, при их гиперфункции. Среди гормональных причин, вызывающих гипергликемию, следует особо вы­делить так называемый стероидный диабет. Наблюдается он у людей с избыточным содержанием глюкокортикоидных гормонов в крови. Повышение содержания последних может быть следствием либо гиперфункции (гиперсекреции) коры надпочечников при наличии в ней опухоли, или даже быть результатом введения с лечебной целью адренокортикотропных или кортикостероидных гормонов. Повышение уровня глюкозы в крови при стероидном диабете объясняется уси­лением скорости глюконеогенеза под влиянием глюкокорти­коидных гормонов. Метаболизм сахаров в этих случаях мож­но восстановить отменой стероидных гормонов и нормализа­цией функциональной активности коры надпочечников.

Повышается уровень глюкозы в крови при гиперсекреции катехоламинов (в результате усиления мобилизации гликогена), тиреоидных гормонов, глюкагона, а также многих других гормонов.

Гормональные гипогликемии. Они наблюдаются чаще всего, как результат введения в организм завышенных доз ин­сулина при лечении больных сахарным диабетом или ишемической болезнью сердца, а также при гиперплазии остров­ков Лангерганса у больных с опухолью поджелудочной же­лезы.

Следует отметить, что патология в углеводном обмене может также формироваться по причине нарушения их об­мена на промежуточных этапах превращения. Чаще всего эти нарушения являются следствием изменения активности одного фермента, лимитирующего какой-либо путь превра­щения углеводов. Нарушения в обмене углеводов на проме­жуточных этапах их превращения ведут к развитию таких заболеваний, как гликогеновые болезни, гликозидозы, галактоземии и некоторых других заболеваний.

Гликогеновые болезни. Они являются результатом полно­го отсутствия в организме или недостаточной активности ферментов, осуществляющих мобилизацию гликогена, а имен­но фосфорилазы и киназы фосфорилазы. Известны несколь­ко типов гликогенозов. Во всех случаях заболевания в клет­ках у больных чрезмерно повышается содержание гликоге­на, так как он при этом частично или полностью не разру­шается.

Если снижается активность ферментов не распада, а био­синтеза гликогена, то, наоборот, развиваются агликогенозы. В клетках у таких больных понижается сначала содержа­ние гликогена, а затем и глюкозы.

Широко известны в настоящее время гликозидозы— бо­лезни нарушения обмена гликопротеидов и гликолипидов, т. е. основных компонентов межклеточного вещества соеди­нительной ткани и клеточных мембран. Болезни эти разви­ваются в связи с дефектом лизосомальных ферментов, раз­рушающих в клетках полисахариды. Гликогеновые болезни и гликозидозы могут стать причиной смерти в раннем воз­расте.

С патологией углеводного обмена на промежуточных эта­пах их превращения связано развитие галактоземии.Наблю­даются эти заболевания при отсутствии или недостаточной активности фермента гексозо-1-фосфат уридилтрансферазы. В крови таких больных уровень галактозы может повышать­ся до 10—16 мМ/л. Чаще болезнь развивается у детей. Это приводит к развитию умственной отсталости, помутнению хрусталика, возможны и летальные исходы заболевания.

У некоторых жителей Северной Европы и Африки с воз­растом понижается лактазная активность клеток кишечного эпителия. Поступающая с пищей лактоза вследствие этого не переваривается, что ведет к диарее, особенно после при­ема с пищей молока. При исключении из диеты молока, диарея, как правило, прекращаются.

Модуль. Обмен белков

Азотистый баланс.

Аминокислоты и белки содержат около 95% азота всего организма, конечные продукты распада белков – азотсодержащие соединения. Поэтому о состоянии белкового обмена можно судить по азотистому балансу. Азотистый баланс – разница между количеством азота поступающим с пищей, и количеством азота, выделяемого почками.

Виды азотистого баланса. Азотистое равновесие (баланс азота, катаболизируемых и анаболизируемых белков и других азотсодержащих молекул) – характерно для здорового взрослого человека. Положительный азотистый баланс – азота поступает больше, чем выводится (дети, беременные). Отрицательный азотистый баланс – выделение азота преобладает над его поступлением (наблюдается при старении, голодании, во время тяжелых заболеваний, а также при безбелковой диете).

Норма белка в питании.

Взрослый человек при средней физической нагрузке должен получать 100-120 г полноценного белка в сутки. Биологическая ценность белка определяется его аминокислотным составом (высокое содержание незаменимых аминокислот в оптимальном соотношении) и высокой степенью усвоения. Физиологическая норма белка зависит от возраста, физической активности, условий окружающей среды, беременности, лактации, болезней и др. факторов, влияющих на потребность организма в белке. Безбелковое питание (особенно продолжительное) вызывает серьезные нарушения обмена и неизбежно заканчивается гибелью организма. Исключение из рациона даже одной незаменимой аминокислоты, ведет к неполному усвоению других аминокислот и сопровождается развитием отрицательного азотистого баланса, истощением, остановкой роста и нарушением функций нервной системы.

Переваривание белков.

При переваривании белков происходит гидролиз белков до свободных аминокислот. Переваривание начинается в желудке, а продолжается в тонкой кишке под действием ферментов протеиназ (пептидгидролаз). Ферменты обладают субстратной специфичностью, т.е. расщепляют пептидные связи образованные определёнными аминокислотами. Протеиназы, гидролизующие пептидные связи внутри белковой молекулы относятся к эндопептидазам, ферменты гидролизующие пептидную связь, образованную концевыми аминокислотами, относятся к экзопептидазам. Желудочные и панкреатичесие пептидазы вырабатываются в форме проферментов (неактивная форма), секретируются к месту действия и активируются путём частичного протеолиза(отщепление участка пептидной цепи с N конца молекулы профермента). Место синтеза профермента (слизистая оболочка желудка, поджелудочная железа) и место их активации (полость желудка, тонкой кошки) пространственно разделены. Такой механизм образования активных ферментов необходим для защиты секреторных клеток желудка и поджелудочной железы от самопереваривания.

Обмен аммиака.

Источники аммиака: трансдезаминирование аминокислот, дезаминирование биогенных аминов и нуклеотидов. Часть аммиака образуется в кишечнике в результате гниения белков. Концентрация аммиака в крови воротной вены выше, чем в общем кровотоке. В печени задерживается значительное количество аммиака, чтобы поддерживать низкое содержание его в крови (0,02-0,04 ммоль/л). Аммиак - токсичное соединение. Даже небольшое повышение его концентрации - гиперамонемия (0,6 ммоль/л) вызывает судороги. К симптомам гипераммониемии относятся: раздражение ЦНС, рвота, судороги, потеря сознания, кома, летальный исход.

Механизм токсичности аммиака:

- способствует развитию алколоза (рН >7), т.к. связывает Н⁺с образованием NН₄⁺;

- способствует восстановительному аминированию α-кетокислот; из-за снижения а-кетокислот тормозятся реакции трансаминирования, ЦТК, подавляется дыхание, образование АТФ, что приводит к усилению синтеза кетоновых тел из ацетил-КоА в печени.

- стимулирует синтез глутамина в нервной ткани (отек ЦНС) и снижается образование ГАМК.

Механизм обезвреживания аммиака: основной реакцией связывания аммиака, протекающей во всех тканях организма, является синтез глутамина под действием глутаминазы с затратой АТФ. Глутамин (амид глутаминовой кислоты) легко транспортируется через клеточные мембраны и с током крови транспортируется в кишечник и почки. В почках происходит гидролиз глутамина под действием глутаминазы с образованием глутамата и аммиака. Этот процесс является одним из механизмов регуляции кислотно-щелочного равновесия и сохранения важнейших катионов Nа⁺ и К⁺. В почках образуется и выводится около 0,5 г солей аммония (сульфаты, хлориды) в сутки.

В мозге и некоторых других органах может протекать восстановительное аминирование (реаминирование) и трансаминирование а-кетокислот. Этот механизм обезвреживает аммиак и, одновременно, является вариантом биосинтеза заменимых аминокислот и α-кетокислот, образованных при окислении глюкозы.

Основной путь обезвреживания аммиака (80-85%) - биосинтез мочевины - протекает только в печени. Мочевина – основной конечный продукт, в составе которого из организма выводится избыток азота. Синтез мочевины в печени называется орнитиновым циклом. Орнитиновый цикл обеспечивает две функции: предотвращает накопление аммиака и приводит к синтезу заменимой аминокислоты аргинина. Молекула мочевины содержит два атома азота. Первый атом азота поступает в цикл в виде аммиака, второй атом азота вводится в мочевину из аспарагиновой кислоты. Источником аммиака являются реакции окислительного дезаминирования глутамата и аммиак, доставляемый в печень с кровью воротной вены. В митохондриях гепатоцитов под действием карбамоилфосфатсинтетазы-1 аммиак превращается в карбамоилфосфат, взаимодействует с орнитином и в виде цитруллина выносится в цитозоль. Далее происходит взаимодействие с аспартатом, образующийся аргининосукцинат распадается с образованием аргинина и фумарата под действием аргиназы аргинин образует мочевину и орнитин. Пополнение количества аспарагиновой кислоты происходит через взаимосвязь орнитинового цикла с ЦТК. Фумарат восстанавливается в малат, который окисляется НАД-зависимой дегидрогеназой с образованием оксалоацетата. Оксалоацетат трансаминируется и пополняет количество аспарагиновой кислоты.

При регенерации аспартата из фумарата НАДН₂ через ЦПЭ обеспечивает синтез 3 АТФ. За один оборот орнитинового цикла расходуются три АТФ (две - образование карбамоилфосфата, и одна при синтезе аргининосукцината), поэтому орнитиновый цикл сам обеспечивает себя энергией.

Обмен отдельных аминокислот

Катаболизм гема.

Гем является простетической группой гемоглобина и геминовых ферментов. Время жизни эритроцитов составляет 110-120 дней; состарившиеся эритроциты фагоцитируются макрофагами, главным образом в селезенке, а также в печени и красном костном мозге. Освобождающийся из гемоглобина гем повторно не используется. Он распадается с образованием железа и желчных пигментов; железо реутилизируется, а желчные пигменты выводятся из организма.

Первая реакция распада гема катализируется гем-оксигеназой – ферментом эндоплазматического ретикулума. В реакции используется НАДФН₂ и кислород; один из метиновых мостиков тетрапиррольной структуры гема окисляется, углерод метиновой группы превращается в оксид углерода СО. При этом от гема отщепляется железо и образуется биливердин – пигмент зеленого цвета. Биливердин затем восстанавливается до билирубина биливердинредуктазой; билирубин имеет красно-коричневый цвет.

Основная часть билирубина образуется в клетках ретикулоэндотелиальной системы селезенки и костного мозга. Из этих органов билирубин в соединении с альбумином транспортируется кровью в печень, где происходит его коньюгация с глюкуроновой кислотой. Глюкуроновая кислота присоединяется к карбоксильным группам пропионильных остатков, образуя глюкурониды билирубина. Коньюгация с глюкуроновой кислотой существенно изменяет свойства билирубина. Билирубин нерастворим в воде; поэтому он транспортируется с кровью в соединении с альбумином. Билирубинглюкуронид растворим в воде и легко выводится с желчью в кишечник. Билирубин токсичен, особенно для мозга; глюкурониды билирубина не токсичны. Таким образом, в результате коньюгации билирубина происходит его детоксикация и облегчается выведение из организма. В кишечнике от билирубинглюкуронидов под действием бактериальных ферментов гидролитически отщепляется глюкуроновая кислота, а вновь образовавшийся билирубин восстанавливается по некоторым двойным связям, образуя две группы продуктов: уробилиногены и стеркобилиногены. Основная часть этих веществ выводится с калом. Остальная часть уробилиногенов и стеркобилиногенов всасывается из кишечника в кровь и затем вновь попадает в желчь, а частично выводится через почки. Уробилиногены и стеркобилиногены – бесцветные вещества; в кале и выпущенной моче они окисляются кислородом воздуха и превращаются в уробилины и стеркобилины, имеющие желтую окраску.

Часто продукты превращений билирубина называют желчными пигментами независимо от того, имеют они окраску или нет; все они в тех или иных количествах обнаруживаются в желчи. Нарушение обмена билирубинов приводит к развитию желтухи. Виды желтух: обтурационная (механическая), паренхиматозная, гемолитическая, желтуха новорожденных.

Г О Р М О Н Ы

ДЛЯ АДАПТАЦИИ ТКАНЕВЫХ ОТВЕТОВ НА ДЕЙСТВИЕ ФАКТОРОВ ВНЕШНЕЙ И ВНУТРЕННЕЙ СРЕДЫ, СОХРАНЕНИЯ ГОМЕОСТАЗА ОРГАНИЗМУ ПОНАДОБИЛИСЬ МЕХАНИЗМЫ МЕЖКЛЕТОЧНОЙ КОММУНИКАЦИИ И КООРДИНАЦИИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ. В ХОДЕ ЭВОЛЮЦИИ У ЖИВОТНЫХ СФОРМИРОВАЛИСЬ ДВЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛЯЦИИ: НЕРВНАЯ И ЭНДОКРИННАЯ.

В организме животных функционируют, как источники гормонов железы эндокринной системы, а так же высокоспециализирован­ные клетки нейроэндокринной системы, расположенные в отдельных органах и тканях, Эту разновидность клеток и выра­батываемые ими гормоны (более 40) названли АПУД-системой.

Транспорт газов кровью.

- Транспорт кислорода осуществляет основной белок эритроцитов гемоглобин. В норме содержание гемоглобина в крови составляет 120-140 г/л у женщин и 130-160 г/л у мужчин. Уменьшение содержания гемоглобина в крови бывает при кровопотере, дефиците железа, витаминов B₉, B₁₂, усиленном гемолизе эритроцитов. Увеличение содержания гемоглобина в крови – при увеличении числа эритроцитов, легочно-сердечной недостаточности, при некоторых пороках сердца, при сгущении крови и др.

- Транспорт углекислого газа кровью.

1) в физически растворенном виде (6-7% СО₂ в покое);

2) в связанной с гемоглобином форме – карбгемоглобин (3-10% СО₂);

3) в форме бикарбоната при участии гемоглобина эритроцитов.

Гипоксия (кислородное голодание) - состояние, возникающее при недостаточном снабжении тканей организма кислородом или нарушении его утилизации в процессе биологического окисления. Виды гипоксий:

1) при понижении PO₂ во вдыхаемом воздухе (экзогенная).

Возникает при подъеме на высоту, при нарушении поступления кислорода, при авариях в шахтах, неисправности наркозной аппаратуры и др.

2) при патологических процессах, нарушающих снабжение тканей кислородом при нормальном содержании его в окружающей среде.

Различают:

1) дыхательный (легочный тип), например, при нарушении проходимости дыхательных путей, отеке легкого, пневмонии и т. д.;

2) сердечно-сосудистый (циркуляторный тип) - при нарушении кровообращения, приводящего к недостаточному кровоснабжению органов и тканей;

3) кровяной (гемический тип), возникает при уменьшении эритроцитов или содержания гемоглобина в эритроцитах;

4) тканевой (гистотоксический тип) - нарушена способность тканей поглощать кислород, например, при отравлении цианидами, которые блокируют конечный фермент дыхательной цепи цитохромоксидазу.

Система гемостаза обеспечивает:

- образование тромба при повреждении кровеносного сосуда с целью остановки кровотечения;

- растворение тромба и восстановление кровотока в кровеносном сосуде.

Гемос