WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 14 |

«Учебная литература для студентов медицинских вузов Т.Т.Березов, Б.Ф.Коровкин Биологическая химия Издание третье, переработанное и дополненное Рекомендован Управлением научных и образовательных ...»

-- [ Страница 8 ] --

CH3—(CH2)7—CH=CH—(CH2)7—CO~S-КoA Олеил-КоА 2Н2О + НАДФ Десатураза О2 + НАДФН + Н СН3—(СН2)16—СО~S-КoA Стеарил-КоА С2 Элонгаза (малонил-КоА, НАДФН) CH3—(CH2)14—CO~S-КoA Пальмитоил-КоА О2 + НАДФН + Н Десатураза 2Н2О + НАДФ+ СН3—(СН2)5—СН=СН—(CH2)7—CO~S-КoA Пальмитоолеил-КоА НЕЗАМЕНИМЫЕ ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ В настоящее время показано, что в микросомах клеток млекопитающих образование двойных связей может происходить только на участке цепи жирной кислоты от 9-го до 1-го углеродных атомов, ибо в микросомах отсутствуют десатуразы, которые могли бы катализировать образование двойных связей в цепи далее 9-го углеродного атома. У животных двойные связи могут образовываться в 4-, 5-, 6- и 6 9-положении, но не далее 9-положения, в то время как у растений – в -, 9-, 12 и 15-положении.

Поэтому в организме млекопитающих, в том числе и человека, не могут образовываться, например, из стеариновой кислоты (18:0) линолевая (18:2;

9,12) и линоленовая (18:3;

9,12,15) кислоты. Эти кислоты относятся к категории незаменимых жирных кислот. К незаменимым жирным кисло там обычно относят также арахидоновую кислоту (20:4;

5,8,11,14). У боль шинства млекопитающих арахидоновая кислота может образовываться из линолевой кислоты. Приводим структуры незаменимых жирных кислот:

9, Линолевая кислота (18:2, ) 9,12, -Линолевая кислота (18:3, ) 5,8,11, Арахидоновая кислота (20:4, ) Незаменимые жирные кислоты должны поступать в организм с пищей.

При длительном их отсутствии в пище у животных наблюдается отставание в росте, развиваются характерные поражения кожи и волосяного покрова.

Описаны случаи недостаточности незаменимых жирных кислот и у чело века. Так, у детей грудного возраста, получающих искусственное питание с незначительным содержанием жиров, может развиться чешуйчатый дер матит, который поддается лечению препаратом линолевой кислоты.

Нарушения, обусловленные недостатком незаменимых жирных кислот, наблюдаются также у больных, жизнедеятельность которых в течение длительного времени поддерживается только за счет внутривенного пита ния, почти лишенного жирных кислот. Принято считать, что во избежание этих нарушений необходимо, чтобы на долю незаменимых жирных кислот приходилось не менее 1–2% от общей потребности в калориях. Следует отметить, что незаменимые жирные кислоты содержатся в достаточно больших количествах в растительных маслах.

Исследования, проведенные с применением изотопов, показали, что арахидоновая кислота и некоторые другие 20-углеродные (эйкозановые) кислоты, содержащие двойные связи, участвуют в образовании эйкоза ноидов.

ЭЙКОЗАНОИДЫ Эйкозаноиды – обширная группа физиологически и фармакологически ак тивных соединений. К ним относятся простаноиды (простагландины, простациклины, тромбоксаны) и лейкотриены.

Наиболее активным предшественником эйкозаноидов является входя щая в состав фосфолипидов плазматических мембран арахидоновая кисло та. Последняя освобождается из фосфолипидного бислоя мембраны при действии фосфолипазы А2. В образовании эйкозаноидов принимают учас тие также и другие незаменимые жирные кислоты (линолевая и -лино леновая), но только после элонгации на два углеродных атома и десату рации, т.е. после превращения в 20-углеродные тетраеновые кислоты.

Поэтому эйкозаноиды можно разделить на 3 группы (в каждую входят простагландины, тромбоксаны и лейкотриены) в зависимости от пред шественников: линолеата, арахидоната и линолената.

Пути метаболизма арахидоната (субстрата) различны, причем синтез простаноидов конкурирует за субстрат с синтезом лейкотриенов. Эти два Фосфолипаза А2 Арахидоновая кислота Мембранные ФЛ Липоксигеназа Циклооксигеназа Лейкотриены Простагландины (PGG2) Простациклины Тромбоксаны Простагландины (PGI2) (PGH2) (ТХА2 и ТХВ2) Простагландины (PGD2, PGE2 и PGF2) Рис. 11.5. Участие арахидоновой кислоты в образовании эйкозаноидов (по А.Н. Климову и Н.Г. Никульчевой).

пути называют соответственно циклооксигеназным и липоксигеназным (рис. 11.5).

Простагландины (ПГ, Pg). По существу ПГ представляют собой 20-углеродные жирные кислоты, содержащие 5-углеродное кольцо и гидро кси- и/или кетогруппы:

Арахидоновая кислота Простагландин Е Обнаружено шесть первичных природных ПГ, три из них серии Е (ether-soluble) и три – серии F (phosphate-soluble). ПГ серии Е содержат в положении 9 кетогруппу, а ПГ серии F – гидроксигруппу. Имеется также несколько вторичных ПГ, представляющих собой продукты энзиматическо го превращения первичных.

ПГ проявляют свое действие в чрезвычайно низких концентрациях (1– 10 нг/мл). Будучи введенными в организм, они вызывают сокращение гладкой мускулатуры, регулируют приток крови к определенному органу, оказывают переменчивое влияние на кровяное давление, контролируют транспорт ионов через мембраны и т.д.

В целом ПГ, не являясь гормонами, модулируют действие последних.

Они преимущественно влияют на физиологические функции тех клеток, в которых синтезируются. Характер воздействия ПГ зависит от типа клетки, и этим ПГ отличаются от гормонов с их однозначным эффектом.

ПГ могут использоваться как терапевтическое средство для предотвра щения оплодотворения, стимулирования нормальных родов, прерывания беременности, предупреждения развития или обезболивания язвы желудка, лечения воспалительных процессов и регуляции кровяного давления, а так же для снятия приступов астмы и др.

Среди продуктов эндопероксидации вторичных ПГ необходимо отме тить тромбоксаны и простациклины. Тромбоксаны образуются в тромбо цитах и после выхода в кровяное русло вызывают сужение кровеносных сосудов и агрегацию тромбоцитов.

Простациклины образуются в стенках кровеносных сосудов и являются сильными ингибиторами агрегации тромбоцитов. Таким образом, тромбо ксаны и простациклины выступают как антагонисты. Поэтому соотношение тромбоксана и простациклина во многом определяет условия тромбообра зования на поверхности эндотелия сосудов. Приводим формулы двух важнейших представителей этих соединений:

Тромбоксан А2 Простациклин (PGI2) Лейкотриены. Это производные 20-углеродных полиненасыщенных (эй козановых) кислот. Название «лейкотриены» происходит от двух слов:

«лейкоциты» (впервые эти соединения были обнаружены в лейкоцитах) и «триены» (у всех представителей этого класса соединений из четырех ненасыщенных связей три являются конъюгированными). Лейкотриены синтезируются из эйкозановых кислот в лейкоцитах, клетках мастоцитомы, тромбоцитах и макрофагах по липоксигеназному пути в ответ на иммуно логические и неиммунологические стимулы. Приводим структуру одного из лейкотриенов:

Лейкотриен А Лейкотриены прежде всего рассматриваются как медиаторы воспа лительных реакций;

они вызывают сокращение мышечной ткани бронхов в концентрациях, в 100–1000 раз меньших, чем гистамин;

способствуют сокращению коронарных сосудов. В целом функция лейкотриенов в норме и при патологии во многом еще неясна.

БИОСИНТЕЗ ТРИГЛИЦЕРИДОВ * Известно, что скорость биосинтеза жирных кислот во многом определяется скоростью образования триглицеридов и фосфолипидов, так как свободные жирные кислоты присутствуют в тканях и плазме крови в небольших количествах и в норме не накапливаются.

Синтез триглицеридов происходит из глицерина и жирных кислот (главным образом стеариновой, пальмитиновой и олеиновой). Путь био синтеза триглицеридов в тканях протекает через образование -глице рофосфата (глицерол-3-фосфата) как промежуточного соединения.

В почках, а также в стенке кишечника, где активность фермента глицеролкиназы высока, глицерин фосфорилируется за счет АТФ с обра зованием глицерол-3-фосфата:

Mg2+ + АДФ + АТФ Глицеролкиназа Глицерин L-глицерол-3-фосфат В жировой ткани и мышцах вследствие очень низкой активности глицеролкиназы образование глицерол-3-фосфата в основном связано с процессами гликолиза и гликогенолиза. Известно, что в процессе гли колитического распада глюкозы образуется дигидроксиацетонфосфат (см.

главу 10). Последний в присутствии цитоплазматической глицерол-3-фос фатдегидрогеназы способен превращаться в глицерол-3-фосфат:

+ + + НАД Н+Н + НАД Глицеролфосфат дегидрогеназа Диоксиацетон Глицерол-3 фосфат фосфат Отмечено, что если содержание глюкозы в жировой ткани понижено (например, при голодании), то образуется лишь незначительное количество глицерол-3-фосфата и освободившиеся в ходе липолиза свободные жирные кислоты не могут быть использованы для ресинтеза триглицеридов, поэто му жирные кислоты покидают жировую ткань. Напротив, активация гликолиза в жировой ткани способствует накоплению в ней триглицеридов, а также входящих в их состав жирных кислот. В печени наблюдаются оба пути образования глицерол-3-фосфата.

Образовавшийся тем или иным путем глицерол-3-фосфат последова тельно ацилируется двумя молекулами КоА-производного жирной кислоты (т.е. «активными» формами жирной кислоты – ацил-КоА). В результате образуется фосфатидная кислота (фосфатидат):

* Триглицериды - это триацилглицеролы по международной номенклатуре.

R -CO-S-KoA 2HS-КoA R -CO-S-KoA Глицеролфосфат ацилтрансфераза Глицерол-3-фосфат Фосфатидная кислота (фосфатидат) Как отмечалось, ацилирование глицерол-3-фосфата протекает последо вательно, т.е. в 2 этапа. Сначала глицерол-3-фосфат-ацилтрансфераза катализирует образование лизофосфатидата (1-ацилглицерол-3-фосфата, а затем 1-ацилглицерол-3-фосфат-ацилтрансфераза катализирует образо вание фосфатидата (1,2-диацилглицерол-3-фосфата) *.

Далее фосфатидная кислота гидролизуется фосфатидат-фосфогидро лазой до 1,2-диглицерида (1,2-диацилглицерола):

+ H2O Рi Фосфатидатфосфо гидролаза 1,2-Диглицерид Фосфатидная кислота Затем 1,2-диглицерид ацилируется третьей молекулой ацил-КоА и пре вращается в триглицерид (триацилглицерол). Эта реакция катализируется диацилглицерол-ацилтрансферазой:

HS-КoA + R -CO-S-KoA Диглицерид-ацил трансфераза 1,2-Диглицерид Триглицерид Синтез триглицеридов (триацилглицеролов) в тканях происходит с уче том двух путей образования глицерол-3-фосфата и возможности синтеза триглицеридов в стенке тонкой кишки из -моноглицеридов, поступающих из полости кишечника в больших количествах после расщепления пищевых * Фосфатидная кислота (фосфатидат) обнаружена во многих тканях, правда, в следовых количествах. Только в печени на ее долю приходится 1% от всех фосфолипидов.

АДФ НАДН+ Н+ НАД+ АТФ Гликолиз Глицеролкиназа Глицерол-3-фосфатде гидрогеназа Глицерол Глицерин Дигидрокси -3-фосфат ацетонфосфат Ацил-КоА Глицерол-3-фосфат ацилтрансфераза КоА 1-Ацилглицерол-3 -фосфат (лизофосфатидат) Ацил-КоА 1-Ацилглицерол-3-фосфат ацилтрансфераза 2-Моноацилглицерол Ацил-КоА КоА Моноацил глицерол ацилтранс фераза (кишечная) КоА 1,2-Диацилглицерол фосфат (фосфатидат) Н2О Фосфатидат-фосфогидролаза Рi Ацил-КоА КоА Диацилглицерол -ацилтрансфераза 1,2-Диацилглицерол Триацилглицерол (триглицерид) Рис. 11.6. Биосинтез триглицеридов (триацилглицеролов).

жиров. На рис. 11.6 представлены глицерофосфатный, дигидроксиацетон фосфатный и -моноглицеридный (моноацилглицероловый) пути синтеза триглицеридов.

Установлено, что большинство ферментов, участвующих в биосинтезе триглицеридов, находятся в эндоплазматическом ретикулуме, и только некоторые, например глицерол-3-фосфат-ацилтрансфераза,– в митохонд риях.

МЕТАБОЛИЗМ ФОСФОЛИПИДОВ В отличие от триглицеридов и жирных кислот фосфолипиды не являются существенным энергетическим материалом. Фосфолипиды играют важную роль в структуре и функции клеточных мембран, активации мембранных и лизосомальных ферментов, в проведении нервных импульсов, сверты вании крови, иммунологических реакциях, процессах клеточной проли ферации и регенерации тканей, в переносе электронов в цепи «дыхательных» ферментов. Особая роль фосфолипидам отводится в формировании липо протеидных комплексов.

Биосинтез фосфолипидов интенсивно происходит в печени, стенке ки шечника, семенниках, яичниках, молочной железе и других тканях. Наибо лее важные фосфолипиды синтезируются главным образом в эндоплазма тической сети клетки.

Центральную роль в биосинтезе фосфолипидов играют 1,2-диглицериды (в синтезе фосфатидилхолинов и фосфатидилэтаноламинов), фосфатидная кислота (в синтезе фосфатидилинозитов) и сфингозин (в синтезе сфин гомиелинов). Цитидинтрифосфат (ЦТФ) участвует в синтезе практически всех фосфолипидов. В качестве примера рассмотрим синтез отдельных представителей фосфолипидов.

Биосинтез фосфатидилэтаноламина. Первоначально этаноламин при участии соответствующей киназы фосфорилируется с образованием фосфо этаноламина:

АТФ АДФ Mg2+ Этаноламинкиназа Этаноламин Фосфоэтаноламин Затем фосфоэтаноламин взаимодействует с ЦТФ, в результате чего образуются цитидиндифосфатэтаноламин (ЦДФ-этаноламин) и пирофос фат (PPi):

+ ЦТФ + РРi Этаноламинфосфат -цитидилтрансфераза Фосфоэтаноламин ЦДФ-этаноламин В следующей реакции ЦДФ-этаноламин, взаимодействуя с 1,2-дигли церидом, образующимся при дефосфорилировании фосфатидной кислоты, превращается в фосфатидилэтаноламин. Реакция катализируется фермен том этаноламинфосфотрансферазой:

ЦДФ-этаноламин + 1,2-диглицерид –> Фосфатидилэтаноламин + ЦМФ.

Биосинтез фосфатидилхолина (лецитина). Фосфатидилэтаноламин явля ется предшественником фосфатидилхолина. В результате последователь ного переноса трех метальных групп от трех молекул S-аденозилметионина (донор метальных групп, см. главу 6) к аминогруппе остатка этаноламина образуется фосфатидилхолин:

S-аденозил- S-аденозил метионин 3СН3 гомоцистеин Последовательное метилирование Фосфатидил Фосфатидил Фосфатидилхолин Фосфатидилэтаноламин Существует еще один путь синтеза фосфатидилхолина в клетках жи вотных. В этом случае, как и при синтезе фосфатидилэтаноламина, исполь зуется ЦТФ в качестве переносчика, но уже не фосфоэтаноламина, а фос фохолина. На первом этапе синтеза свободный холин активируется под действием холинкиназы с образованием фосфохолина:

Холин + АТФ –> Фосфохолин + АДФ.

Затем фосфохолин реагирует с ЦТФ, образуя цитидиндифосфатхолин (ЦДФ-холин):

Фосфохолин + ЦТФ –> ЦДФ-холин + РРi.

В дальнейшем ЦДФ-холин взаимодействует с 1,2-диглицеридом, в ре зультате чего образуется фосфатидилхолин:

ЦДФ-холин + 1,2-диглицерид –> Фосфатидилхолин + ЦМФ.

Биосинтез фосфатидилсерина. У млекопитающих фосфатидилсерин об разуется в реакции обмена этаноламина на серин следующим путем:

Са2+ Фосфатидилэтаноламин + L-серин Фосфатидилсерин + Этаноламин.

Существует и второй путь образования фосфатидилсерина, который связан с предварительным вовлечением фосфатидной кислоты в синтез фосфоглицеридов:

РРi ЦТФ Цитидин Фосфатидная кислота ЦДФ-диглицерид Затем происходит перенос серина на фосфатидильный остаток с обра зованием фосфатидилсерина:

ЦДФ-диглицерид + L-серин –> Фосфатидилсерин + ЦМФ.

Таким же путем образуется фосфатидилинозитол.

Биосинтез сфингомиелина. Интермедиатом в биосинтезе сфингомиелина является церамид (N-ацилсфингозин), который образуется при взаимодей ствии сфингозина с ацил-КоА. Сфингомиелин синтезируется в результате взаимодействия (реакции) церамида с ЦДФ-холином:

Сфингозин Церамид Сфингомиелин Ацил-КоА КоА ЦМФ ЦДФ-холин Следует отметить, что различие в синтезе холин- и этаноламинсодер жащих фосфолипидов, с одной стороны, и инозитсодержащих фосфоли пидов – с другой, заключается в том, что в первом случае при участии ЦТФ образуется ЦДФ-холин или ЦДФ-этаноламин – реакционноспособные азо тистые основания, а во втором случае при участии ЦТФ образуется ЦДФ-диглицерид – реакционноспособная форма диглицерида.

Распад и обновление фосфолипидов Известно, что молекулы белков расщепляются в тканях полностью. Поэто му для молекулы белков можно определить время обновления. Фосфоли пиды также активно распадаются в тканях, но для каждой части молекулы время обновления различно. Например, время обновления фосфатной группы отличается от времени обновления 1-ацильной группы, и обуслов лено это наличием ферментов, вызывающих частичный гидролиз фосфоли пидов, вслед за которым снова может происходить их синтез (рис. 11.7).

К сожалению, в настоящее время нет достаточно полных данных о фосфолипазном спектре той или иной ткани. Хорошо известно, что фосфолипаза A1 атакует эфирную связь фосфолипидов в положении 1.

Фосфолипаза А2 катализирует гидролиз эфирной связи в положении 2 гли церофосфолипидов, в результате чего образуются свободная жирная кис лота и лизофосфолипид (в случае фосфатидилхолина – лизолецитин), ко торый реацилируется ацил-КоА при участии ацилтрансферазы.

Фосфолипаза С атакует эфирную связь в положении 3, что заканчивается образованием 1,2-диглицерида и фосфорильного основания.

Фосфолипаза D катализирует отщепление от фосфолипида азотистого основания. Долгое время считалось, что фосфолипаза D содержится только Рис. 11.7. Гидролитическое расщепление фосфолипазами строго определенных свя зей фосфолипидов.

в растительных тканях. В последнее время ее удалось обнаружить в раст воримой фракции мозга крысы, а затем в микросомах мозга и других органов, а в самое последнее время-в митохондриях печени крысы.

Нет ясности в отношении фосфолипазы В. Возможно, что это-смесь ферментов, обладающих свойствами фосфолипаз А и А. Не исключено, 1 что фосфолипаза В-фермент, действующий только на лизофосфолипид (например, лизолецитин), т.е. это лизофосфолипаза.

БИОСИНТЕЗ ХОЛЕСТЕРИНА В 40-60-х годах нашего столетия К. Блох и сотр. в опытах с использо ванием ацетата, меченного С по метильной и карбоксильной группам, показали, что оба атома углерода уксусной кислоты включаются в холесте рин печени приблизительно в одинаковых количествах. Кроме того, было доказано, что все атомы углерода холестерина происходят из ацетата.

В дальнейшем благодаря работам Ф. Линена, Г. Попьяка, Дж. Корн форта, А.Н. Климова и других исследователей были выяснены основные детали ферментативного синтеза холестерина, насчитывающего более энзиматических реакций. В синтезе холестерина можно выделить три основные стадии: I – превращение активного ацетата в мевалоновую кис лоту, II – образование сквалена из мевалоновой кислоты, III – циклизация сквалена в холестерин.

Рассмотрим стадию превращения активного ацетата в мевалоновую кислоту. Начальным этапом синтеза мевалоновой кислоты из ацетил-КоА является образование ацетоацетил-КоА посредством обратимой тиолазной реакции:

СН —СО—S-KoA + СН —СО—S-KoA 3 Ацетил-КоА-ацетилтрансфераза СН —СО—СН —СО—S-KoA + HS-KoA.

3 Ацетоацетил-КоА Затем при последующей конденсации ацетоацетил-КоА с 3-й молекулой ацетил-КоА при участии гидроксиметилглутарил-КоА-синтазы (ГМГ-КоА синтаза) образуется -гидрокси--метилглутарил-КоА:

+ Н2О СН —СО—СН —СО—S-KoA + СН —СО—S-KoA 3 2 – Н2О Ацетоацетил-КоА Ацетил-КоА ГМГ-КоА-синтаза -Гидрокси--метилглутарил-КоА Далее -гидрокси--метилглутарил-КоА под действием регуляторно го фермента НАДФ-зависимой гидроксиметилглутарил-КоА-редуктазы (ГМГ-КоА-редуктаза) в результате восстановления одной из карбоксиль ных групп и отщепления HS-KoA превращается в мевалоновую кислоту:

ГМГ-КоА-редуктаза -Гидрокси--метилглутарил-КоА Мевалоновая кислота ГМГ-КоА-редуктазная реакция – первая практически необратимая реак ция в цепи биосинтеза холестерина. Она протекает со значительной потерей свободной энергии (около 33,6 кДж). Установлено, что данная реакция лимитирует скорость биосинтеза холестерина.

Наряду с классическим путем биосинтеза мевалоновой кислоты имеется второй путь, в котором в качестве промежуточного субстрата, по-видимому, образуется не -гидрокси--метилглутарил-КоА, а -гидрокси--метилглутарил-S-АПБ. Реакции этого пути идентичны начальным стадиям биосинтеза жирных кислот вплоть до образования ацетоацетил-S-АПБ. В образовании мевалоновой кислоты по этому пути принимает участие ацетил-КоА-карбоксилаза – фермент, осуществляющий превращение ацетил-КоА в малонил-КоА. Оптимальное соотношение малонил-КоА и ацетил-КоА для синтеза мевалоновой кислоты – 2 молекулы ацетил-КоА на 1 молекулу малонил-КоА.

Участие малонил-КоА – основного субстрата биосинтеза жирных кислот в обра зовании мевалоновой кислоты и различных полиизопреноидов показано для ряда биологических объектов: печени голубя и крысы, молочной железы кролика, бесклеточных дрожжевых экстрактов. Этот путь биосинтеза мевалоновой кислоты отмечен преимущественно в цитозоле клеток печени. Существенную роль в обра зовании мевалоната в данном случае играет ГМГ-КоА-редуктаза, обнаруженная в растворимой фракции печени крысы и неидентичная микросомному ферменту по ряду кинетических и регуляторных свойств. Регуляция второго пути биосинтеза мевалоновой кислоты при ряде воздействий (голодание, кормление холестерином, введение поверхностно-активного вещества тритона WR-1339) отличается от ре гуляции первого пути, в котором принимает участие микросомная редуктаза. Эти данные свидетельствуют о существовании двух автономных систем биосинтеза мевалоновой кислоты. Физиологическая роль второго пути окончательно не изу чена. Полагают, что он имеет определенное значение не только для синтеза веществ нестероидной природы, таких, как боковая цепь убихинона и уникального основания N6-(2-изопентил)-аденозина некоторых тРНК, но и для биосинтеза стероидов (А.Н. Климов, Э.Д. Полякова).

На II стадии синтеза холестерина мевалоновая кислота превращается в сквален. Реакции II стадии начинаются с фосфорилирования мевалоновой кислоты с помощью АТФ. В результате образуется 5-фосфорный эфир, а затем 5-пирофосфорный эфир мевалоновой кислоты:

АДФ АДФ АТФ АТФ Мевалонат 5-Пирофосфомевалонат 5-Фосфомевалонат 5-пирофосфомевалоновая кислота в результате последующего фосфо рилирования третичной гидроксильной группы образует нестабильный промежуточный продукт – 3-фосфо-5-пирофосфомевалоновую кислоту, ко торая, декарбоксилируясь и теряя остаток фосфорной кислоты, превра щается в изопентенилпирофосфат. Последний изомеризуется в диметил аллилпирофосфат:

АТФ АДФ 3-Фосфо-5-пирофосфо 5 -Пирофосфомевалонат мевалонат Диметилаллилпирофосфат Изопентенилпирофосфат Затем оба изомерных изопентенилпирофосфата (диметилаллилпирофос фат и изопентенилпирофосфат) конденсируются с высвобождением пи рофосфата и образованием геранилпирофосфата:

Геранилпирофосфат К геранилпирофосфату вновь присоединяется изопентенилпирофосфат.

В результате этой реакции образуется фарнезилпирофосфат:

Фарнезилпирофосфат (С15) В заключительной реакции данной стадии в результате НАДФН-за висимой восстановительной конденсации 2 молекул фарнезилпирофосфата образуется сквален:

Сквален (С30) На III стадии биосинтеза холестерина сквален под влиянием сквален оксидоциклазы циклизируется с образованием ланостерина. Дальнейший процесс превращения ланостерина в холестерин включает ряд реакций, сопровождающихся удалением трех метильных групп, насыщением двой ной связи в боковой цепи и перемещением двойной связи в кольце В из положения 8, 9 в положение 5, 6 (детально эти последние реакции еще не изучены):

Холестерин (С27) Ланостерин(С30) Приводим общую схему синтеза холестерина:

Ацетил-КоА Ацетил-КоА HS-КoA Холестерин (С27) Ацетоацетил-КоА Ланостерин Н2O + (С30) HS-КoA НАДФ НАДФН + Н O Сквален (С30) -Гидронси--метилглутарил-КоА 2PP i + 2НАДФН + 2Н + НАДФ + 2НАДФ НАДФН HS-КoA Фарнезилпирофосфат Фарнезилпирофосфат (C15) (С15) PPi Мевалонат Изопентениллирофосфат Геранилпирофосфат АТФ (С5) (С10) PPi АДФ 5 -Фосфомевалонат Изопентенилпирофосфат Диметилаллилпирофосфат АТФ (С5) (С5) Pi СО АДФ АДФ АТФ 5 -Пирофосфомевалонат 3 -Фосфо-5-пирофосфомевалонат Начиная со сквалена, все промежуточные продукты биосинтеза холесте рина (включая и холестерин) нерастворимы в водной среде. Поэтому они участвуют в конечных реакциях биосинтеза холестерина, будучи связан ными со стеринпереносящими белками (СПБ). Это обеспечивает их растворимость в цитозоле клетки и протекание соответствующих реакций.

Данный факт имеет важное значение и для вхождения холестерина в кле точные мембраны, окисления в желчные кислоты, превращения в сте роидные гормоны. Как отмечалось, реакцией, регулирующей скорость биосинтеза холестерина в целом, является восстановление -гидрокси- метилглутарил-КоА в мевалоновую кислоту, катализируемое ГМГ-КоА редуктазой. Данный фермент испытывает регуляторное воздействие ряда факторов. В частности, скорость синтеза редуктазы в печени подвержена четким суточным колебаниям: максимум ее приходится на полночь, а ми нимум – на утренние часы.

Активность ГМГ-редуктазы возрастает при введении инсулина и тире оидных гормонов. Это приводит к усилению синтеза холестерина и повы шению его уровня в крови.

При голодании, тиреоидэктомии, введение глюкагона и глюкокорти коидов, напротив, отмечается угнетение синтеза холестерина, что прежде всего связано со снижением активности ГМГ-КоА-редуктазы.

РЕГУЛЯЦИЯ ЛИПИДНОГО ОБМЕНА Обмен липидов регулируется ЦНС. Кора большого мозга оказывает трофическое влияние на жировую ткань либо через нижележащие отделы ЦНС – симпатическую и парасимпатическую системы, либо через эндо кринные железы. В настоящее время установлен ряд биохимических меха низмов, лежащих в основе действия гормонов на липидный обмен.

Известно, что длительный отрицательный эмоциональный стресс, со провождающийся увеличением выброса катехоламинов в кровяное русло, может вызвать заметное похудание. Уместно напомнить, что жировая ткань обильно иннервируется волокнами симпатической нервной системы, возбуждение этих волокон сопровождается выделением норадреналина непосредственно в жировую ткань. Адреналин и норадреналин увеличивают скорость липолиза в жировой ткани;

в результате усиливается мобилизация жирных кислот из жировых депо и повышается содержание неэстерифи цированных жирных кислот в плазме крови. Как отмечалось, тканевые липазы (триглицеридлипаза) существуют в двух взаимопревращающихся формах, одна из которых фосфорилирована и каталитически активна, а другая – нефосфорилирована и неактивна. Адреналин стимулирует через аденилатциклазу синтез цАМФ. В свою очередь цАМФ активирует соот ветствующую протеинкиназу, которая способствует фосфорилированию липазы, т.е. образованию ее активной формы. Следует заметить, что действие глюкагона на липолитическую систему сходно с действием кате холаминов.

Не подлежит сомнению, что секрет передней доли гипофиза, в частности соматотропный гормон, оказывает влияние на липидный обмен. Гипо функция железы приводит к отложению жира в организме, наступает гипофизарное ожирение. Напротив, повышенная продукция СТГ стиму лирует липолиз, и содержание жирных кислот в плазме крови увели чивается. Доказано, что стимуляция липолиза СТГ блокируется инги биторами синтеза мРНК. Кроме того, известно, что действие СТГ на липолиз характеризуется наличием лаг-фазы продолжительностью около 1 ч, тогда как адреналин стимулирует липолиз почти мгновенно. Иными словами, можно считать, что первичное действие этих двух типов гормонов на липолиз проявляется различными путями. Адреналин стимулирует активность аденилатциклазы, а СТГ индуцирует синтез данного фермента.

Конкретный механизм, с помощью которого СТГ избирательно увеличи вает синтез аденилатциклазы, пока неизвестен.

Инсулин оказывает противоположное адреналину и глюкагону действие на липолиз и мобилизацию жирных кислот. Недавно было показано, что инсулин стимулирует фосфодиэстеразную активность в жировой ткани.

Фосфодиэстераза играет важную роль в поддержании постоянного уровня цАМФ в тканях, поэтому увеличение содержания инсулина должно повы шать активность фосфодиэстеразы, что в свою очередь приводит к умень шению концентрации цАМФ в клетке, а следовательно, и к образованию активной формы липазы.

Несомненно, и другие гормоны, в частности тироксин, половые гормо ны, также оказывают влияние на липидный обмен. Например, известно, что удаление половых желез (кастрация) вызывает у животных избыточное отложение жира. Однако сведения, которыми мы располагаем, не дают пока основания с уверенностью говорить о конкретном механизме их действия на обмен липидов. В табл. 11.2 приведены сводные данные о влиянии ряда факторов на мобилизацию жирных кислот из жировых депо.

Таблица 11.2. Влияние некоторых факторов на мобилизацию жирных кислот из жировой ткани (по А.Н. Климову и др., 1978) Характер Фактор Предполагаемый механизм действия влияния Катехоламины, глюкагон, Усиление Активация аденилатциклазы тироксин, глюкокортикоиды » СТГ, АКТГ Усиление синтеза аденилатциклазы и гормоночувствительной липазы Простагландины Угнетение Ослабление действия катехоламинов на аденилатциклазу, угнетение аденилатциклазы » Инсулин Торможение освобождения жирных кислот в результате активации гли колиза в жировой ткани;

активация фосфодиэстеразы цАМФ Стресс, физическая нагрузка, Усиление Стимуляция секреции катехоламинов голодание, охлаждение и угнетение секреции инсулина НАРУШЕНИЯ ЛИПИДНОГО ОБМЕНА Нарушение процессов всасывания жиров. Нарушения липидного обмена возможны уже в процессе переваривания и всасывания жиров. Одна группа расстройств связана с недостаточным поступлением панкреатической ли пазы в кишечник, вторая обусловлена нарушением поступления в кишечник желчи. Кроме того, нарушения процессов переваривания и всасывания липидов могут быть связаны с заболеваниями пищеварительного тракта (при энтеритах, гиповитаминозах и некоторых других патологических состояниях). Образовавшиеся в полости кишечника моноглицериды и жир ные кислоты не могут нормально всасываться вследствие повреждения эпителиального покрова кишечника. Во всех этих случаях кал содержит много нерасщепленного жира или невсосавшихся высших жирных кислот и имеет характерный серовато-белый цвет.

Нарушение процессов перехода жира из крови в ткань. При недостаточной активности липопротеинлипазы крови нарушается переход жирных кислот из хиломикронов (ХМ) плазмы крови в жировые депо (не расщепляются триглицериды). Чаще это наследственное заболевание, обусловленное пол ным отсутствием активности липопротеинлипазы. Плазма крови при этом имеет молочный цвет в результате чрезвычайно высокого содержания ХМ.

Наиболее эффективным лечением этого заболевания является замена при родных жиров, содержащих жирные кислоты с 16–18 углеродными ато мами, синтетическими, в состав которых входят короткоцепочечные жир ные кислоты с 8–10 углеродными атомами. Эти жирные кислоты способны всасываться из кишечника непосредственно в кровь без предварительного образования ХМ.

Кетонемия и кетонурия. В крови здорового человека кетоновые (аце тоновые) тела содержатся в очень небольших концентрациях. Однако при голодании, а также у лиц с тяжелой формой сахарного диабета содержание кетоновых тел в крови может повышаться до 20 ммоль/л. Это состояние носит название кетонемии;

оно обычно сопровождается резким увели чением содержания кетоновых тел в моче (кетонурия). Например, если в норме за сутки с мочой выводится около 40 мг кетоновых тел, то при сахарном диабете содержание их в суточной порции мочи может доходить до 50 г и более.

В настоящее время явления кетонемии и кетонурии при сахарном диабете или голодании можно объяснить следующим образом. И диабет, и голодание сопровождаются резким сокращением запасов гликогена в пе чени. Многие ткани и органы, в частности мышечная ткань, находятся в состоянии энергетического голода (при недостатке инсулина глюкоза не может с достаточной скоростью поступать в клетку). В этой ситуации благодаря возбуждению метаболических центров в ЦНС импульсами с хе морецепторов клеток, испытывающих энергетический голод, резко уси ливаются липолиз и мобилизация большого количества жирных кислот из жировых депо в печень. В печени происходит интенсивное образование кетоновых тел. Образующиеся в необычно большом количестве кетоновые тела (ацетоуксусная и -гидроксимасляная кислоты) с током крови транс портируются из печени к периферическим тканям. Периферические ткани при диабете и голодании сохраняют способность использовать кетоновые тела в качестве энергетического материала, однако ввиду необычно высокой концентрации кетоновых тел в притекающей крови мышцы и другие органы не справляются с их окислением и как следствие возникает кетонемия.

Атеросклероз и липопротеины. В настоящее время доказана ведущая роль определенных классов липопротеинов в патогенезе атеросклероза. Извест ное положение акад. Н.Н. Аничкова «без холестерина нет атеросклероза» с учетом современных знаний можно выразить иначе: «без атерогенных липопротеинов не может быть атеросклероза».

Напомним, что плазменные липопротеины * – это сложные комплексные соединения, в состав которых, кроме белка, входит липидный компонент.

Плазменные липопротеины имеют характерное строение: внутри липопро теиновой частицы находится жировая капля (ядро), содержащая неполяр ные липиды (триглицериды, этерифицированный холестерин). Жировая капля окружена оболочкой, в состав которой входят фосфолипиды, белок и свободный холестерин. Толщина этой оболочки составляет 2,0–2,5 нм, что соответствует половине толщины фосфолипидного бислоя клеточной мембраны.

Различают несколько классов липопротеинов:

-липопротеины, или липопротеины высокой плотности (ЛПВП);

-липопротеины, или липо * Помимо плазменных липопротеинов, в организме существуют мембранные липо протеины, которые имеют несколько иное строение.

протеины низкой плотности (ЛПНП);

пре--липопротеины, или липопро теины очень низкой плотности (ЛПОНП);

хиломикроны (ХМ).

Установлено, что атеросклероз и связанные с ним заболевания про текают при значительном повышении содержания в плазме крови фракции ЛПНП, а во многих случаях и фракции ЛПОНП (подробнее см. главу 17).

Исследования последних 5 лет показали, что сами по себе нативные ЛПНП и ЛПОНП аллергенностью не обладают. Атерогенность у этих классов липопротеинов появляется только тогда, когда их частицы под вергнутся химическому изменению и прежде всего перекисному окислению.

При этом сначала в их составе образуются такие продукты перекисного окисления липидов, как диеновые и триеновые конъюгаты, гидроперекиси, малоновый диальдегид и др., а затем уже происходит взаимодействие с белковыми компонентами – аполипопротеинами. Образуются химически измененные липопротеины, которые стали называть перекисно модифи цированными.

Перекисная модификация липопротеинов может в определенной степени протекать в кровяном русле, но главным местом их образования является артериальная стенка.

Перекисно модифицированные ЛПНП, образовавшись в артериальной стенке, быстро и бесконтрольно захватываются здесь макрофагами. Иногда модифицированные изменения липопротеинов заходят настолько глубоко, что липопротеины приобретают аутоантигенные свойства, к ним выра батываются антитела и в конечном счете образуются аутоиммунные комп лексы липопротеины–антитела. Последние также обладают высокой ате рогенностью и бесконтрольно захватываются артериальными макрофа гами. Макрофаги, захватившие модифицированные липопротеины или иммунные комплексы (липопротеин–антитело), накапливают в цитоплазме чрезвычайно высокие концентрации эстерифицированного и свободного холестерина (в них нет энзимов, которые расщепляли бы холестерин) и трансформируются в так называемые пенистые клетки. Последние в ре зультате цитотоксического действия высоких концентраций холестерина погибают, при их разрушении во внутреннюю оболочку артерий изливается ими же накопленный холестерин. Поэтому пенистая клетка рассматри вается как главная «виновница» атеросклеротического процесса на мор фологическом уровне.

Последующие события: пролиферация гладких мышечных клеток, син тез ими коллагена и эластина – направлены на изоляцию холестериновых отложений путем образования соединительнотканной (фиброзной) капсулы.

Так в упрощенном виде можно представить образование фиброзной бляш ки – основного элемента атеросклеротического поражения артерий.

В отличие от липопротеинов низкой и очень низкой плотности ЛПВП рас сматриваются как антиатерогенные. Они осуществляют «обратный» транс порт холестерина – от периферических тканей в печень, где холестерин окис ляется в желчные кислоты. Кроме того, ЛПВП обладают еще одним важ ным свойством: они задерживают перекисную модификацию липопротеинов низкой и очень низкой плотности (А.Н. Климов). Поэтому чем выше уровень ЛПВП в крови, тем меньше вероятность развития атеросклероза.

липосомы Липосомы – искусственно создаваемые липидные везикулы (пузырьки), состоящие из одного или нескольких фосфолипидных бислоев, разделенных водной фазой. Диаметр липосом может калебаться от 25 до 10000 нм.

Рис. 11.8. Модель многослойной липосомы с инкапсулированными водо- и жирорастворимыми препа ратами (по Грегориадису).

1 - молекулы, растворимые в водном слое;

2 - молекулы, растворимые в ли пидном слое;

3 - молекулы, раствори мые в водном слое с гидрофобными радикалами, проникающими в липид ный слой.

Обычно липосомы получают путем встряхивания или обработки ультра звуком водных суспензий фосфолипидов. Липосомы могут быть сформи рованы из индивидуальных фосфолипидов, как природных, так и синте тических, а также из смеси фосфолипидов.

Вначале липосомы использовали только как модели биологических мембран. В дальнейшем было установлено, что их можно применять как микроконтейнеры, которые способны доставлять разнообразные лекарст венные препараты в различные органы и ткани. В липосомы могут быть заключены ферменты, гормоны, витамины, антибиотики, цитостатики, циклические нуклеотиды и т.д.

На рис. 11.8 представлена модель многослойной липосомы, а также показано распределение водо- и жирорастворимых препаратов, инкапсу лированных в липосоме.

Использование комплексов липосома–препарат имеет ряд преимуществ перед применением только препаратов: липосомы позволяют доставлять в клетки вещества, которые в отсутствие липосом в них не проникают;

присоединение к липосомам соответствующих антител (векторов) может обеспечить доставку веществ в клетки-мишени;

препарат, инкапсулирован ный в липосомы, обеспечивает большой терапевтический эффект (время действия увеличивается, при этом доза его может быть значительно снижена);

липосомы могут эффективно использоваться как адъюванты, т.е.

вещества, стимулирующие иммунологические реакции. Предполагают, что существует по крайней мере 2 пути проникновения липосом в клетку.

Первый заключается в том, что вследствие эндоцитоза липосома захва тывается клеткой и образуется вакуоль, которая сливается с лизосомами.

Фосфолипазы лизосом гидролизуют фосфолипиды мембраны лизосом, обеспечивая выход препарата в цитоплазму клетки. Если липосома состоит из нескольких липидных мембран, то постепенный гидролиз их обеспе чивает медленное поступление препарата в клетку. Второй путь – это когда липосомы сливаются с клеточной мембраной, при этом липидный компо нент липосомы встраивается в мембрану клетки, а водорастворимый препарат проникает в цитоплазму. Таким образом, в обоих случаях вещество, инкапсулированное в липосоме, попадает в клетки несмотря на мембранный барьер.

В экспериментах на животных показано, что при внутривенном, внутри мышечном и внутрибрюшинном введении липосомы довольно быстро покидают кровяное русло, так как захватываются клетками системы макро фагов, в первую очередь клетками печени и селезенки. Другие органы и ткани поглощают некоторое количество введенных липосом, однако их доля невелика. В настоящее время ведется поиск новых систем (подходов) направленного транспорта лекарственных веществ в организм с помощью липосом.

Глава ОБМЕН ПРОСТЫХ БЕЛКОВ Обмен белков занимает особое место в многообразных превращениях веществ, характерных для всех живых организмов. Выполняя ряд уни кальных функций, свойственных живой материи, белки определяют не только микро- и макроструктуру отдельных субклеточных образований, специфику организации клеток, органов и целостного организма (пласти ческая функция), но и в значительной степени динамическое состояние между организмом и окружающей его средой. Белковый обмен строго специфичен, направлен и настроен, обеспечивая непрерывность воспроиз водства и обновления белков организма. В течение всей жизнедеятельности в организме постоянно и с высокой скоростью совершаются два про тивоположных процесса: распад, расщепление органических макромоле кул и надмолекулярных структур и синтез этих соединений. Эти процессы обеспечивают катаболические реакции и создание сложной структурной организации живого из хаоса веществ окружающей среды, причем ведущую роль в последнем случае играют именно белки. Все остальные виды обмена подчинены этой глобальной задаче живого – самовоспроизведению себе подобных путем программированного синтеза специфических белков. Для осуществления этого используются энергия обмена углеводов и липидов, строительный материал в виде углеродных остатков аминокислот, про межуточных продуктов метаболизма углеводов и др.

Белки способны также выполнять энергетическую функцию, особенно при избыточном их поступлении с пищей или в экстремальных ситуациях, когда белки тела подвергаются усиленному распаду, восполняя недостаток питательных веществ, например при голодании или патологии (сахарный диабет). Как известно, при сгорании 1 г белков освобождается энергия, равная 16,8 кДж. Эта энергия обычно может быть полностью заменена энергией окисления углеводов и липидов, однако при длительном исклю чении последних из пищи у животных не наблюдается существенных патологических отклонений, тогда как исключение белков из пищи даже на короткий срок приводит к выраженным нарушениям, а иногда и к не обратимым патологическим явлениям. Если животные находятся на мало белковой диете, то у них очень быстро развивается белковая недоста точность – патологическое состояние, характеризующееся нарушением ряда важных физиологических функций организма. Аналогичные изменения наблюдаются у людей при недостаточном потреблении белка. Следо вательно, белки являются незаменимыми для организма веществами, вы полняющими прежде всего пластическую функцию. Специфическая роль белков, однако, этим не ограничивается. В опытах на крысах было по казано, что белковая недостаточность у животных проявляется не столько в уменьшении массы органов и тканей, сколько в снижении активности ферментов, обусловленном замедлением процессов биосинтеза белка.

Таким образом, помимо пластической роли, белки выполняют уни кальную каталитическую функцию, хотя, как было отмечено, некоторые РНК также наделены энзиматической активностью. Следует указать также, что белки (соответственно и продукты их гидролиза аминокислоты) при нимают непосредственное участие в биосинтезе ряда гормонов и других биологически активных соединений, регулирующих процессы обмена ве ществ в организме. Следовательно, именно белковый обмен координирует, регулирует и интегрирует многообразие химических превращений в це лостном живом организме, подчиняя его задачам сохранения вида и обес печивая тем самым непрерывность жизни.

Характерной особенностью белкового обмена является его чрезвы чайная разветвленность. Достаточно указать, что в обмене 20 аминокислот, входящих в состав белковых молекул, в организме животных участвуют сотни промежуточных метаболитов, тесно связанных с обменом углеводов и липидов. Число ферментов, катализирующих химические реакции азо тистого обмена, также исчисляется сотнями. Следует добавить, что бло кирование одного какого-либо специфического пути обмена даже одной аминокислоты, обычно наблюдаемое при врожденных пороках обмена, может привести к образованию совершенно неизвестных продуктов обмена, так как возникают условия для неспецифических превращений всех пред шествующих компонентов в данной цепи реакций. Отсюда становятся понятными трудности интерпретации данных о регуляции процессов азо тистого обмена в норме и особенно при патологии. Этими обстоятельства ми можно объяснить исключительную перспективность изучения обмена белков с целью выяснения особенностей их катаболизма и синтеза, ов ладение тонкими молекулярными механизмами которых, несомненно, даст в руки исследователя ключ к пониманию развития и течения патологи ческих процессов и соответственно к целенаправленному воздействию на многие процессы жизни.

ДИНАМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ БЕЛКОВ ОРГАНИЗМА Кажущаяся стабильность химического состава целостного организма яв ляется результатом существования определенного равновесия между ско ростями синтеза и распада его составляющих. Внедрение в биохимическую и клиническую практику метода меченых атомов позволило доказать, что белки нужны не только растущему, но и сформировавшемуся организму, когда его рост прекратился, т.е. имеются доказательства существования в организме механизма постоянного обновления химических составных частей тела. При нормальных физиологических условиях, как и при па тологических состояниях, скорости синтеза и распада специфических ве ществ определяются, помимо нервно-гормонального влияния, химической природой веществ и внутриклеточной их локализацией. В растущем ор ганизме скорость синтеза многих компонентов органов и тканей пре обладает над скоростью их распада. Тяжелые изнуряющие болезни, а также голодание, напротив, характеризуются преобладанием скорости катабо лизма над скоростью синтеза. Почти все белки тела, включая структурные белки, гемоглобин, белки плазмы и других биологических жидкостей организма, также подвергаются постепенному распаду и синтезу. На пример, более половины белков печени, сыворотки крови и слизистой оболочки кишечника подвергается распаду и ресинтезу в течение 10 дней.

Медленнее обновляются белки мышц, кожи и мозга.

Введенные в организм меченые аминокислоты быстро включаются в белки тканей. Активный ресинтез белков происходит даже в период длительного голодания, и в то же время отмечается интенсивный распад белков в состоянии азотистого равновесия, причем распад белков в какой либо ткани часто сопровождается усиленным биосинтезом белков в других тканях. Индуцированные активной или пассивной иммунизацией белки антител – -глобулины – также подвергаются постоянному распаду и син тезу. Полупериод распада антител и ряда других белков крови человека составляет примерно 2 нед. Для белков слизистой оболочки кишечника этот период составляет несколько дней, для ряда гормонов исчисляется часами и даже минутами (инсулин).

Высокая скорость обновления белков, доказанная при помощи меченых атомов, свидетельствует о том, что в организме происходит постоянное смешивание эндогенных белковых молекул и продуктов их гидролиза – аминокислот с молекулами белков и их производных, синтезированных из аминокислот белков пищи. Эта смесь эндогенного и экзогенного материала, которая может в принципе служить источником анаболических и ка таболических реакций азотистого обмена, существует в качестве резервного материала, называемого метаболическим пулом. С помощью изо топных методов установлено, что примерно /3 общего 1пула аминокис лот приходится на эндогенные источники и только /3 имеет своим источником белки пищи. Эти данные указывают прежде всего на исключи тельную важность эндогенного источника аминокислот и, кроме того, свидетельствуют о высокой скорости обновления белков тела.

Необходимо подчеркнуть, что белковый обмен тесно интегрирован также с обменом углеводов, липидов и нуклеиновых кислот через амино кислоты или -кетокислоты (-кетоглутарат, оксалоацетат и пируват). Так, аспарагиновая кислота или аланин путем трансаминирования обратимо превращаются соответственно в оксалоацетат и пируват, которые не посредственно включаются в углеводный обмен. Эти данные, как и ре зультаты опытов с введением животным меченых аминокислот и -кето кислот, свидетельствуют о том, что в организме млекопитающих не существует вопреки классической теории М. Рубнера и К. Фойта обо собленного и независимого эндогенного и экзогенного обмена вообще и белкового обмена в частности.

ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СОСТОЯНИЕ БЕЛКОВОГО ОБМЕНА Направление и интенсивность обмена белков в первую очередь опре деляются физиологическим состоянием организма и несомненно регули руются, как и все другие виды обмена, нейрогормональными факторами.

Более интенсивно обмен белков протекает в детском возрасте, при активной мышечной работе, беременности и лактации, т.е. в случаях, когда резко повышаются потребности в белках. Существенное влияние на белковый обмен оказывает характер питания и, в частности, количественный и качественный белковый состав пищи. При недостаточном поступлении белков с пищей происходит распад собственных белков ряда тканей (печени, плазмы крови, слизистой оболочки кишечника и др.) с образованием свободных аминокислот, обеспечивающих синтез абсолютно необходимых цитоплазматических белков, ферментов, гормонов и других биологически активных соединений. Таким образом, «в жертву» приносятся некоторые «строительные» белки тканей для обеспечения жизнедеятельности целост ного организма. Введение с пищей повышенных количеств белка, напротив, не оказывает заметного влияния на состояние белкового обмена, поскольку избыток белка не откладывается про запас, а в виде конечных продуктов азотистого обмена выводится с мочой. Более существенное значение имеет, однако, качественный белковый состав пищи, так как отсутствие или недостаток хотя бы одной какой-либо незаменимой аминокислоты может служить лимитирующим фактором биосинтеза всех белков в организме.

Синтез белка подчиняется закону «все или ничего» и осуществляется при условии наличия в клетке полного набора всех 20 аминокислот. Даже при поступлении всех аминокислот с пищей организм может испытывать состояние белковой недостаточности, если всасывание какой-либо одной аминокислоты в кишечнике замедлено или если она разрушается в большей степени, чем в норме, под действием кишечной микрофлоры. В этих случаях будет происходить ограниченный синтез белка или организм будет ком пенсировать недостаток аминокислоты для биосинтеза белка за счет рас пада собственных белков. Степень усвоения белков и аминокислот пищи зависит также от количественного и качественного состава углеводов и липидов, которые резко сокращают энергетические потребности ор ганизма за счет белков. Экспериментальный и клинический материал свидетельствует, что диета с недостаточным содержанием жиров и низко калорийная пища способствуют повышению экскреции аминокислот и продуктов их распада с мочой.

Имеются экспериментальные доказательства прямой и опосредованной связи белкового обмена с обеспеченностью организма витаминами, в частности В1, В2, В6, РР и др. Обмен белков регулируется, кроме того, деятельностью желез внутренней секреции. Гормоны определяют в из вестной мере направление (в сторону синтеза или распада) и интенсивность белкового обмена. Например, после введения АКТГ и гормонов щи товидной железы наблюдается интенсивный распад тканевых белков. Дру гие гормоны, в частности СТГ, андрогены и эстрогены, напротив, сти мулируют анаболические реакции и способствуют синтезу белка. Введение некоторых гормонов коркового вещества надпочечников вызывает диспро теинемию и приводит к отрицательному азотистому балансу, что не которые авторы связывают со стимулированием глюконеогенеза из уг леродных скелетов аминокислот (после дезаминирования последних – см.

далее).

Таким образом, состояние белкового обмена определяется множеством факторов, как экзогенных (окружающая среда, характер питания и др.), так и эндогенных (физиологическое состояние организма, включающее нервно гормональный статус, ферментная оснащенность и др.). Любые отклонения от нормального физиологического состояния организма отражаются на азотистом обмене. Знание закономерностей изменений обмена белков при данном конкретном патологическом процессе – необходимая предпосылка для правильного выбора тактики терапевтических мероприятий по устра нению нарушенного процесса обмена.

НОРМЫ БЕЛКА В ПИТАНИИ Изучение проблемы нормы белка в питании человека имеет, кроме ака демического интереса, большое социальное значение. Принятые в нашей стране нормы белка для взрослого человека и для детей разного возраста основаны на результатах многочисленных научных исследований отечест венных ученых, учитывают разные климатические условия, условия труда, профессию, возраст и другие факторы. Эти нормы выводятся из оп тимального содержания белка в пищевом рационе. Так, взрослый человек, занимающийся умственным трудом или подвергающийся средней физи ческой нагрузке (полностью механизированный труд), должен получать 100–120 г белка в сутки при трате общего количества энергии 12000 кДж.

При изменении условий труда (недостаточно механизированный труд) и больших тратах энергии норма белка увеличивается на 10 г на каждые 2100 кДж. Рабочие, выполняющие тяжелую физическую работу, должны получать 130–150 г белка в сутки.

Потребности в белках детей определяются в первую очередь возрастом и массой тела. Дети даже раннего детского возраста нуждаются в 55–72 г белка в сутки. С возрастом (от 12 до 15 лет) эта норма увеличивается до суточной нормы взрослого человека. Суточные потребности в белке резко возрастают при беременности и лактации, а также при некоторых па тологических состояниях, когда организм теряет белок с мочой или асцит ной жидкостью, экссудатами при нефритах, тяжелых инфекционных за болеваниях, ожогах, травмах и т.д.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ БЕЛКОВ Состояние белкового обмена целостного организма зависит не только от количества принимаемого с пищей белка, но и от качественного состава его.

В опытах на животных было показано, что получение одинакового ко личества разных пищевых белков сопровождается в ряде случаев развитием отрицательного азотистого баланса. Так, скармливание равного количества казеина и желатина крысам приводило к положительному азотистому балансу в первом случае и к отрицательному – во втором *. Имел значение различный аминокислотный состав белков, что послужило основанием для предположения о существовании в природе якобы «неполноценных» белков.

Оказалось, что из 20 аминокислот в желатине почти отсутствуют (или содержатся в малых количествах) валин, тирозин, метионин и цистеин;

кроме того, желатин характеризуется другим, отличным от казеина про центным содержанием отдельных аминокислот. Этим можно объяснить тот факт, что замена в питании крыс казеина на желатин приводит к развитию отрицательного азотистого баланса. Приведенные данные свидетельствуют о том, что различные белки обладают неодинаковой пищевой ценностью.

Поэтому для удовлетворения пластических потребностей организма тре буются достаточные количества разных белков пищи. По-видимому, спра ведливо положение, что, чем ближе аминокислотный состав принимаемого пищевого белка к аминокислотному составу белков тела, тем выше его биологическая ценность. Следует, однако, отметить, что степень усвоения пищевого белка зависит также от эффективности его распада под влиянием ферментов желудочно-кишечного тракта. Ряд белковых веществ (например, белки шерсти, волос, перьев и др.), несмотря на их близкий амино кислотный состав к белкам тела человека, почти не используются в качестве пищевого белка, поскольку они не гидролизуются протеиназами кишечника человека и большинства животных.

С понятием биологической ценности белков тесно связан вопрос об эссенциальных (незаменимых) аминокислотах. Живые организмы сущест венно различаются в зависимости от их способности синтезировать амино * Вопросы азотистого равновесия, положительного и отрицательного азотистого баланса подробно рассматриваются в курсе физиологии.

кислоты или другие азотсодержащие соединения, которые они могут использовать для биосинтеза аминокислот. Высшие растения, например, могут синтезировать все необходимые для белкового синтеза амино кислоты, причем могут использовать для этого аммиак или нитраты в качестве источника азота. Микроорганизмы обладают различной способ ностью синтезировать аминокислоты. В частности, если Е. coli синтезирует все аминокислоты, используя нитриты и нитраты или аммиак, то мо лочно-кислые бактерии не обладают этой способностью и получают аминокислоты в готовом виде из молока. Высшие позвоночные животные не синтезируют все необходимые аминокислоты. В организме человека и белых крыс синтезируются только 10 из 20 необходимых аминокислот – так называемые заменимые аминокислоты. Они могут быть синтези рованы из продуктов обмена углеводов и липидов. Остальные 10 амино кислот не синтезируются в организме, поэтому они были названы жизненно необходимыми, эссенциальными, или незаменимыми аминокисло тами (табл. 12.1).

Таблица 12.1. Заменимые и незаменимые аминокислоты Заменимые Незаменимые Заменимые Незаменимые Аланин Аргинин1 Глутаминовая Лизин кислота Аспарагин Валин Пролин Метионин Аспарагиновая Гистидин1 Серин Треонин кислота Глицин Изолейцин Тирозин Триптофан Глутамин Лейцин Цистеин (цистин) Фенилаланин Частично заменимые аминокислоты.

Незаменимость аминокислот для роста и развития организма животных и человека объясняется отсутствием способности клеток синтезировать углеродные скелеты незаменимых аминокислот, поскольку процесс ами нирования соответствующих кетопроизводных осуществляется сравнитель но легко посредством реакций трансаминирования (см. далее). Следо вательно, для обеспечения нормальной жизнедеятельности человека и животных все эти 10 аминокислот должны поступать с пищей.

Следует отметить, что для взрослого человека аргинин и гистидин оказались частично заменимыми. Г. Роуз наблюдал людей, получавших искусственную пищу, в которой белок был полностью заменен смесью аминокислот. Он установил, что для сохранения нормальной массы тела и работоспособности имеют значение не только определенное количество каждой аминокислоты и соотношение незаменимых аминокислот в по добной диете, но и содержание в последней общего азота (табл. 12.2).

Исключение какой-либо незаменимой аминокислоты из пищевой смеси сопровождается развитием отрицательного азотистого баланса, истоще нием, остановкой роста, нарушениями функции нервной системы и др.

В опытах на крысах были установлены следующие величины незаменимых аминокислот, необходимых для оптимального роста, относительно три птофана, принятого за единицу: лизина 5;

лейцина 4;

валина 3,5;

фенил аланина 3,5;

метионина 3;

изолейцина 2,5;

треонина 2,5;

гистидина 2;

Таблица 12.2. Минимальная суточная потребность организма человека в неза менимых аминокислотах (рекомендации ФАО и ВОЗ) Потреб- Потребность в Потреб- Потребность в Амино- ность инди- расчете на массу Амино- ность инди- расчете на массу кислота видуума, тела, мг/кг кислота видуума, тела, мг/кг г/сут г/сут Арг 1,8 Взрослый орга- Мет 1, низм не нужда- (Цис) ется Гис 0,9 Фен (Тир)2 1,1 Иле 0,7 10 Тре 0,5 Лей 14 Трп 0,25 3, 1, Лиз 0,8 12 Вал 0,80 Цистеин снижает потребность в метионине на 80%.

Тирозин снижает потребность в фенилаланине на 70%.

аргинина 1. Имеются доказательства, что примерно такое же соотношение незаменимых аминокислот требуется для человека.

Последствия недостаточного содержания какой-либо незаменимой аминокислоты в пище более подробно изучены на животных. Отсутствие или недостаток, например, валина и лизина приводит к остановке роста и развитию тяжелой клинической картины, напоминающей авитаминоз у животных.

Следует особо подчеркнуть, что недостаток в пище одной незаменимой аминокислоты ведет к неполному усвоению других аминокислот. Вместе с тем в опытах на животных было показано, что потребности в не заменимом фенилаланине могут быть частично компенсированы заме нимой аминокислотой тирозином, потребности в метионине – гомоцисте ином с добавлением необходимого количества доноров метильных групп.

Глутаминовая кислота снижает потребности в аргинине. Необходимо учитывать и видовые различия при определении незаменимости отдельных аминокислот. Для цыплят, например, глицин оказался незаменимым фак тором роста.

Для оценки биологической ценности пищевого белка важное значение имеет знание его аминокислотного состава. Так, скармливание крысам казеина (белок молока) и выделенного из кукурузы белка зеина, который не содержит лизина и практически триптофана, показало, что при получении с пищей казеина рост животных не нарушался. Замена казеина зеином приводила к постепенному отставанию в росте и снижению массы тела животных. Добавление к зеину только триптофана предотвращало сни жение массы тела, но не увеличивало рост;

при добавлении к рациону еще и лизина масса тела прогрессивно нарастала.

Таким образом, скармливание выделенного из кукурузного зерна белка зеина, не содержащего двух незаменимых аминокислот, приводит к ос тановке роста, уменьшению массы тела животных и развитию отрица тельного азотистого баланса.

Человек и животные питаются не искусственно выделенными, а на туральными белками, входящими в состав смешанной пищи, в которой обычно содержится весь набор незаменимых аминокислот. Так, цельное кукурузное зерно содержит 2,5% лизина, 0,7% триптофана, в то время как зеин не содержит лизина вообще, а триптофана в нем всего 0,1%. Этот пример лишний раз свидетельствует о том, что в природе неполноценных белков почти не существует и что следует, очевидно, лишь различать биологически более ценные и менее ценные (в питательном отношении) белки (табл. 12.3).

Таблица 12.3. Содержание незаменимых аминокислот в белках различного проис хождения Содержание аминокислоты в продуктах, в процентах от сухой массы Аминокислота пшеничная соевая рыбная говядина коровье кормовые мука мука мука молоко дрожжи Apг 4,2 4,7 5,0 7,7 8, 4, Гис 2,2 2,4 2,3 3,3 2, 1, Иле 4,2 5,4 4,6 6,0 7,8 5, Лей 7,0 7,7 7,8 8,0 11,0 7, Лиз 6,5 7,5 10,0 8,7 6, 1, Мет 1,5 2,6 3,2 0,8 1, 1, Фен 5,5 5,1 4,0 5,0 5,5 3, Тре 2,7 4,0 4,2 5,0 4,7 5, Трп 0,8 1,5 1,2 1,5 1, 1, Вал 5,0 5,2 5,5 6, 4,1 7, Биологическая ценность пищевого белка целиком зависит от степени его усвоения организмом, что в свою очередь определяется соответствием между аминокислотным составом потребляемого белка и аминокислотным составом белков организма. Такой пищевой белок лучше используется организмом для синтеза белков тканей. Для человека, например, белки мяса, молока, яиц биологически более ценны, поскольку их аминокислот ный состав ближе к аминокислотному составу органов и тканей человека.

Однако это не исключает приема растительных белков, в которых со держится необходимый набор аминокислот, но в другом соотношении.

Поэтому для обеспечения биосинтеза необходимого количества эндогенных белков человеку потребуется значительно больше растительных белков, чем животных.

Таким образом, для нормального роста и гармоничного развития организма человека исключительно большое значение имеют составление и подбор пищевых продуктов, содержащих оптимальный аминокислотный состав и обеспечивающих физиологически полноценное питание для разных групп населения с учетом не только возраста и пола, но и различных климатических условий, характера труда, сезона года и т.д.

РЕЗЕРВНЫЕ БЕЛКИ Под термином «резервные белки» понимают не особые отложения белков, а легкомобилизуемые при необходимости тканевые белки, которые после гидролиза под действием специфических протеиназ служат поставщиками аминокислот, необходимых для синтеза ферментов, гормонов и др. Опыты на животных показали, что при голодании наблюдается неравномерное изменение массы отдельных органов и тканей;

в значительно большей степени снижается масса печени. Многочисленные наблюдения больных в клиниках также свидетельствуют, что при голодании и тяжелых ин фекционных заболеваниях, когда наблюдается интенсивный распад ор ганов, в первую очередь снижается масса печени и мышц и существенно не изменяется масса мозга и сердца. Организм за счет распада белков печени и мышц обеспечивает нормальную деятельность жизненно важных органов.

На основании этих данных принято считать, что белки плазмы крови, печени и мышц могут служить в качестве «резервных», хотя эти резервы по своему существу резко отличаются от резервов углеводов (отложение гликогена в печени и мышцах) и липидов (отложение триацилглицеролов в жировых депо).

Следует, однако, подчеркнуть, что существование в организме ме ханизма срочной мобилизации белковых ресурсов в экстремальных ус ловиях (голодание, тяжелая интоксикация, потеря крови и др.), несомненно, имеет важное физиологическое значение.

ПАРЕНТЕРАЛЬНОЕ БЕЛКОВОЕ ПИТАНИЕ Важной для клинической практики является проблема парентерального белкового питания. Как известно, белки пищи могут быть использованы организмом человека только после предварительного переваривания и расщепления их в пищеварительном тракте до свободных аминокислот.

Введение белков парентерально, т.е. минуя кишечный тракт, приводит к развитию сенсибилизации (повышенная чувствительность организма к чужеродному белку), а повторное введение белков может вызвать ана филаксию – шоковое состояние. Между тем такой метод введения белка иногда вынуждены использовать, в частности, в хирургической практике при непроходимости пищевода в результате ожогов и отравлений, при тяжелых раковых поражениях пищевода и желудка, после операций на желудке и кишечнике и др. Для предотвращения тяжелых осложнений, возникающих после парентерального введения белковых растворов, в настоящее время для белкового питания используют гидролизаты белков (смесь аминокислот). Введение аминокислотной смеси не вызывает ал лергических реакций, поскольку свободные аминокислоты не обладают в отличие от белков ни видовой, ни тканевой специфичностью. Длительные наблюдения больных в клинических условиях свидетельствуют, что потреб ности организма в белках могут быть полностью компенсированы вве дением смеси аминокислот. Нельзя не отметить, однако, ряд побочных отрицательных реакций организма в ответ на введение гидролизатов белков, в частности возможность нарушения нормальной психической деятельности.

ПЕРЕВАРИВАНИЕ БЕЛКОВ Главными источниками белков для человека являются пищевые продукты животного и растительного происхождения. В табл. 12.4 представлены средние данные о содержании белка в основных пищевых продуктах.

Главным образом животные (мясо, рыба, сыр) и только некоторые расти тельные (горох, соя) продукты богаты белками, в то время как наиболее распространенные растительные пищевые продукты содержат небольшие количества его.

Таблица 12.4. Содержание белка в некоторых пищевых продуктах Продукт Содержание Продукт Содержание белка, % белка, % Мясо 18-22 Гречневая крупа Рыба 17-22 Пшено Сыр 20-36 Орехи лесные Яйца 13 » кедровые Молоко 3,5 Картофель 1,5- Хлеб ржаной 7,8 Капуста 1,1-1, Рис 8 Морковь 0,8-1, Горох 26 Свекла 1, Соя 35 Яблоки 0,3-0, Макароны 9-13 Вишня 1-1, Весь сложный процесс переваривания пищевых белков в пищевари тельном тракте «настроен» таким образом, чтобы путем последовательного действия протеолитических ферментов лишить белки пищи видовой и тканевой специфичности и придать продуктам распада способность вса сываться в кровь через стенку кишечника. Примерно 95–97% белков пищи всасывается в виде свободных аминокислот. Следовательно, ферментный аппарат пищеварительного тракта осуществляет поэтапное, строго из бирательное расщепление пептидных связей белковой молекулы вплоть до конечных продуктов гидролиза белков – свободных аминокислот. Гидролиз заключается в разрыве пептидных связей —СО—NH— белковой мо лекулы.

Протеолитические ферменты (протеиназы) обладают широкой специ фичностью действия, определяемой как размером полипептида, так и структурой радикалов аминокислот, участвующих в образовании пептид ной связи. Основные ферменты, катализирующие гидролитический распад пищевых белков и пептидов, приведены в табл. 12.5.

Следует подчеркнуть, что с пищей человек получает огромное разно образие белков, однако все они подвергаются воздействию ограниченного числа протеиназ. Эти ферменты относятся к классу гидролаз (см. главу 4) и часто называются также пептидазами. Известны две группы пептидаз:

экзопептидазы, катализирующие разрыв концевой пептидной связи с освобождением одной какой-либо концевой аминокислоты, и эндопеп тидазы, преимущественно гидролизующие пептидные связи внутри поли пептидной цепи. Эндопептидазы обладают разной субстратной специфич Таблица 12.5. Протеолитические ферменты пищеварительного тракта Источник Фермент Примечание Желудочный сок Пепсин Протеиназа (найден также в желудочном соке птиц, рептилий и рыб) » » Реннин Вызывает свертывание мо лока » » Гастриксин Пепсиноподобный фермент Панкреатический сок Трипсин Протеиназа » » Химотрипсин » » » Коллагеназа » » » Карбоксипептидаза Пептидаза » » Эластаза » » Кишечный сок Аминопептидаза » » » Лейцинаминопептидаза » » » Аланинаминопептидаза » » Энтеропептидаза Гликопротеин » » Трипептидазы Пептидазы » » Дипептидазы » » » Пролил-дипептидаза » » » » Пролин-дипептидаза ностью действия, всецело определяемой природой радикалов аминокислот по соседству с разрываемой пептидной связью, поэтому белковая молекула распадается под действием разных эндопептидаз на строго определенное число пептидов, сравнительно легко идентифицируемых методами хро матографии и электрофореза (метод отпечатков пальцев). Это свойство эндопептидаз нашло широкое применение в исследовательской работе при выяснении первичной структуры индивидуальных белков.

Эндопептидазы Пепсин. Одним из хорошо изученных и основных протеолитических фер ментов пищеварительного тракта является пепсин. Его наличие в желудке было установлено еще в 1783 г. Л. Спалланцани, хотя в кристаллическом виде он был получен только в 1930 г. (см. главу 1). Пепсин вырабатывается в главных клетках слизистой оболочки желудка в неактивной форме – в виде пепсиногена. Превращение пепсиногена в активный пепсин происходит в желудочном содержимом, однако молекулярный механизм этого превра щения в деталях еще не выяснен. Наиболее вероятным считается пред положение, что этот процесс является последовательным и протекает в несколько этапов в присутствии соляной кислоты по механизму аутокаталитического действия самого пепсина. Молекулярная масса пеп синогена составляет приблизительно 40400, а пепсина – 32700, поэтому превращение первого во второй связано с отщеплением пептидных фраг ментов. Оба фермента можно сравнительно легко получить в кристал лическом виде. Следует отметить, что в отличие от других протеиназ пепсин отличается высокой устойчивостью в сильнокислой среде и ха рактеризуется низким значением изоэлектрической точки (рI < 1). Такие условия обычно создаются в желудочном содержимом, куда поступает секретируемая париетальными клетками слизистой оболочки соляная кис лота *;

рН чистого желудочного сока колеблется от 1,0 до 2,0. Эта среда является оптимальной для каталитического действия пепсина. Имеются доказательства, что в желудке человека из пепсиногена, вероятно, об разуется не только активный пепсин, а несколько близких по строению пепсинов, включая пепсиноподобный фермент гастриксин, который имеет отличный от пепсина оптимум рН действия, равный 3,0.

Реннин. Фермент реннин выделен из сока четвертого отдела желудка телят в кристаллическом виде. Он есть также в желудочном соке детей грудного возраста. По механизму и специфичности действия реннин сильно отличается от пепсина, тогда как по структуре близок к нему: так же состоит из одной полипептидной цепи с мол. массой 40000. Изоэлектри ческая точка реннина равна 4,5.

Три другие важные эндопептидазы: трипсин, химотрипсин и эластаза, а также одна экзопептидаза – карбоксипептидаза, участвующие в даль нейшем после действия пепсина в переваривании белков, синтезируются в поджелудочной железе. Все они вырабатываются в неактивной форме, в виде проферментов, и их превращение в активные ферменты происходит в тонкой кишке, куда они поступают с панкреатическим соком.

Трипсин. Трипсиноген и трипсин получены в кристаллическом виде, полностью расшифрована их первичная структура и известен молекулярный механизм превращения профермента в активный фермент. В опытах in vitro превращение трипсиногена в трипсин катализируют не только энтеро пептидаза и сам трипсин, но и другие протеиназы и ионы Са2+.

Активирование трипсиногена химически выражается в отщеплении с N-конца полипептидной цепи 6 аминокислотных остатков (Вал–Асп– Асп–Асп–Асп–Лиз) и соответственно в укорочении полипептидной цепи (рис. 12.1).

Следует подчеркнуть, что в этом небольшом, казалось бы, химическом процессе – отщепление гексапептида от предшественника – заключено важ ное биологическое значение, поскольку при этом происходят формирование активного центра и образование трехмерной структуры трипсина, а известно (см. главы 1 и 4), что и белки биологически активны только в своей нативной трехмерной конформации. В том, что трипсин, как и другие протеиназы, вырабатывается в поджелудочной железе в неактивной форме, также имеется определенный физиологический смысл, поскольку в про тивном случае трипсин мог бы оказывать разрушающее протеолитическое действие не только на клетки самой железы, но и на другие ферменты, синтезируемые в ней (амилаза, липаза и др.). В то же время поджелудочная железа защищает себя еще одним механизмом – синтезом специфического белка ингибитора панкреатического трипсина. Этот ингибитор оказался * Поступление пищевого белка в желудок стимулирует секрецию гормона гастрина, который в свою очередь стимулирует секрецию НСl и пепсиногена в клетках слизистой оболочки.

Электростатическое Трипсиноген взаимодействие или наличие водородных связей Активный центр Пептид, освобождающийся Трипсин при активации Рис. 12.1. Механизм активации трипсиногена быка (схема).

низкомолекулярным пептидом (мол. масса 6000), который прочно свя зывается с активными центрами трипсина и химотрипсина, вызывая обра тимое их ингибирование. В поджелудочной железе синтезируется также 1-антипротеиназа (мол. масса 50000), которая преимущественно инги бирует эластазу.

При остром панкреатите, когда трипсин и другие ферменты из по раженной поджелудочной железы «вымываются» в кровь, уровень их в крови соответствует размерам некротического участка. В этом случае определение активности трипсина в сыворотке крови является надежным ферментным тестом при диагностике острого панкреатита. Следует от метить, что субстратная специфичность трипсина ограничена разрывом только тех пептидных связей, в образовании которых участвуют кар боксильные группы лизина и аргинина.

Химотрипсин. В поджелудочной железе синтезируется ряд химотрип синов (-, - и -химотрипсины) из двух предшественников – химотрипси ногена А и химотрипсиногена В. Активируются проферменты в кишечнике под действием активного трипсина и химотрипсина. Полностью раскрыта последовательность аминокислот химотрипсиногена А, во многом сходная с последовательностью аминокислот трипсина. Молекулярная масса его составляет примерно 25000. Он состоит из одной полипептидной цепи, содержащей 246 аминокислотных остатков. Активация профермента не сопряжена с отщеплением большого участка молекулы (см. рис. 4.3).

Получены доказательства, что разрыв одной пептидной связи между аргинином и изолейцином в молекуле химотрипсиногена А под действием трипсина приводит к формированию -химотрипсина, обладающего наи большей ферментативной активностью. Последующее отщепление дипеп тида Сер–Арг приводит к образованию -химотрипсина. Аутокаталити ческий процесс активирования, вызванный химотрипсином, сначала спо собствует формированию неактивного промежуточного неохимотрипсина, который под действием активного трипсина превращается в -химотрип син;

этот же продукт образуется из -химотрипсина, но под действием активного химотрипсина.

Таким образом, благодаря совместному перекрестному воздействию химотрипсина и трипсина из химотрипсиногена образуются разные химо трипсины, различающиеся как ферментативной активностью, так и не которыми физико-химическими свойствами, в частности электрофорети ческой подвижностью.

Следует отметить, что химотрипсин обладает более широкой субстрат ной специфичностью, чем трипсин. Он катализирует гидролиз не только пептидов, но и эфиров, гидроксаматов, амидов и других ацилпроизводных, хотя наибольшую активность химотрипсин проявляет по отношению к пептидным связям, в образовании которых принимают участие карбок сильные группы ароматических аминокислот: фенилаланина, тирозина и триптофана *.

Эластаза. В поджелудочной железе синтезируется еще одна эндопеп тидаза – эластаза – в виде проэластазы. Превращение профермента в элас тазу в тонкой кишке катализируется трипсином. Название фермент получил от субстрата эластина, который он гидролизует. Эластин содержится в соединительной ткани и характеризуется наличием большого числа остатков глицина и серина. Эластаза обладает широкой субстратной специфичностью, но предпочтительнее гидролизует пептидные связи, об разованные аминокислотами с небольшими гидрофобными радикалами, в частности глицином, аланином и серином. Интересно, что ни трипсин, ни химотрипсин не гидролизуют пептидные связи молекулы эластина, хотя все три фермента, включая эластазу, содержат сходные участки аминокислот ных последовательностей и одинаковые места положения дисульфидных мостиков, а также имеют в активном центре один и тот же ключевой остаток серина (см. табл. 4.2), что подтверждают опыты с ингибированием всех трех ферментов диизопропилфторфосфатом, химически связывающим ОН-группу серина. Высказано предположение, что все три эндопептидазы поджелудочной железы: трипсин, химотрипсин и эластаза,– возможно, имеют один и тот же общий предшественник и что специфичность актив ного фермента в основном определяется конформационными изменениями профермента в процессе активирования.

Экзопептидазы. В переваривании белков в тонкой кишке активное участие принимает семейство экзопептидаз. Одни из них – карбоксипеп тидазы – синтезируются в поджелудочной железе в виде прокарбоксипеп тидазы и активируются трипсином в кишечнике;

другие – аминопептидазы – секретируются в клетках слизистой оболочки кишечника и также акти вируются трипсином.

Карбоксипептидазы. Подробно изучены две карбоксипептидазы – А и В, относящиеся к металлопротеинам и катализирующие отщепление от поли пептида С-концевых аминокислот. Карбоксипептидаза А разрывает преи мущественно пептидные связи, образованные концевыми ароматическими аминокислотами, а карбоксипептидаза В – связи, в образовании которых участвуют С-концевые лизин и аргинин. Очищенный препарат карбокси пептидазы А обладает бифункциональной активностью – пептидазной и эстеразной и содержит ион Zn2+ (один атом на 1 моль фермента).

При замене ионов Zn2+ на ионы Са2+ полностью утрачивается пепти дазная активность, но усиливается исходная эстеразная активность, хотя * Химотрипсин является одним из наиболее изученных ферментов, для которого в де талях расшифрован механизм ферментативного катализа, включающий образование про межуточного продукта ацилфермента. Доказана существенность для катализа гидроксильной группы серина и непротонированного остатка гистидина в активном центре фермента.

при этом существенных изменений в третичной структуре фермента не отмечается.

Аминопептидазы. В кишечном соке открыты два фермента – аланин аминопептидаза, катализирующая преимущественно гидролиз пептидной связи, в образовании которой участвует N-концевой аланин, и лейцин аминопептидаза, не обладающая строгой субстратной специфичностью и гидролизующая пептидные связи, образованные любой N-концевой аминокислотой. Оба фермента осуществляют ступенчатое отщепление ами нокислот от N-конца полипептидной цепи.

Дипептидазы. Процесс переваривания пептидов, их расщепление до свободных аминокислот в тонкой кишке завершают дипептидазы. Среди дипептидаз кишечного сока хорошо изучена глицилглицин-дипептидаза, гидролизующая соответствующий дипептид до двух молекул глицина.

Известны также две другие дипептидазы: пролил-дипептидаза (пролиназа), катализирующая гидролиз пептидной связи, в образовании которой участ вует СООН-группа пролина, и пролин-дипептидаза (пролидаза), гидроли зующая дипептиды, в которых азот пролина связан кислотно-амидной связью.

Еще сравнительно недавно протеиназы традиционно связывали только с процессами переваривания. В настоящее время появляется все больше данных о более широкой биологической роли протеолитических ферментов органов и тканей в регуляции ряда вне- и внутриклеточных процессов.

Некоторые протеиназы выполняют защитную функцию (свертывание кро ви, система комплемента, лизис клеток), другие генерируют гормоны, токсины, вазоактивные агенты (ангиотензин, кинины). Ряд протеиназ ре гулирует образование пищеварительных ферментов, взаимодействие между клетками и клеточными поверхностями, процессы фертилизации (хитин синтетаза) и дифференциации. Регуляция в большинстве случаев пред усматривает превращение неактивного предшественника в активный белок путем отщепления ограниченного числа пептидов. Этот процесс, впервые описанный К. Линдерстрем-Лангом еще в 50-е годы, в последнее время называют ограниченным протеолизом. Значение его очень важно для по нимания сущности биологического синтеза в клетках неактивных пре и пробелков. Кроме того, этот процесс нашел широкое практическое применение в лабораториях и промышленности. В регуляции действия протеолитических ферментов участвуют также ингибиторы протеиназ бел ковой природы, открытые не только в поджелудочной железе, но и в плазме крови, курином яйце и т.д.

Отделение панкреатического и кишечного соков регулируется нейро гормональными факторами, которые подробно излагаются в курсе фи зиологии. Имеются доказательства роли соляной кислоты в качестве пускового механизма выработки в кишечнике особых гормонов. В част ности, соляная кислота, попадая в двенадцатиперстную кишку, стимулирует секрецию секретина (см. главу 8);

последний, стимулируя секрецию и отделение щелочного панкреатического сока, способствует оттоку желчи.

Показано, что секретин быстро исчезает из кровотока, а новые порции его не вырабатываются, поскольку соляная кислота нейтрализуется щелочным панкреатическим соком. Таким образом, благодаря существованию такого механизма, действующего по типу обратной связи, осуществляется ре гуляция секреции и отделения поджелудочного сока. Поджелудочный сок, полученный при действии секретина, содержит незначительное количество ферментов, но богат бикарбонатами, создающими слабощелочную среду (рН 7,5–8,5), оптимальную для действия пищеварительных ферментов в кишечнике. Вторым гормоном, также синтезирующимся в двенадцати перстной кишке и регулирующим секрецию поджелудочного сока, является холецистокинин (панкреозимин);

он стимулирует отделение сока, бо гатого ферментами и бедного бикарбонатами.

Переваривание белков в желудке В желудке имеются все условия для переваривания белков. Во-первых, в желудочном соке содержится активный фермент пепсин. Во-вторых, благодаря наличию в желудочном соке свободной соляной кислоты для действия пепсина создается оптимальная среда (рН 1,5–2,5). Следует особо указать на существенную роль соляной кислоты в переваривании белков:

она переводит неактивный пепсиноген в активный пепсин, создает оп тимальную среду для действия пепсина;

в присутствии соляной кислоты происходят набухание белков, частичная денатурация и, возможно, гидро лиз сложных белков. Кроме того, соляная кислота стимулирует выработку секретина в двенадцатиперстной кишке, ускоряет всасывание железа и оказывает бактерицидное действие.

Ввиду исключительной роли соляной кислоты в переваривании белков были предприняты попытки объяснить механизм ее секреции в желудке.

В деталях этот механизм до сих пор не выяснен, однако имеющиеся данные свидетельствуют, что образующиеся при диссоциации хлорида натрия в крови ионы хлора диффундируют через клеточную мембрану и соеди няются с ионами водорода, которые в свою очередь освобождаются при диссоциации угольной кислоты, образующейся в обкладочных клетках из конечных продуктов обмена – Н2О и СО2. Образовавшаяся соляная кислота затем экскретируется обкладочными клетками в полость желудка. Равно весие ионов Сl– между кровью и обкладочными клетками достигается поступлением отрицательно заряженных ионов HCO3– из клеток в кровь взамен ионов Сl–, поступающих из крови в клетки. Предполагается участие АТФ, поскольку синтез соляной кислоты требует энергии.

Следует отметить, что при некоторых поражениях желудка (обычно при воспалительных процессах) могут нарушаться секреция соляной кислоты и соответственно переваривание белков.

Пепсин, катализирующий гидролиз пептидных связей, образованных остатками ароматических аминокислот, расщепляет практически все при родные белки. Исключение составляют некоторые кератины, протамины, гистоны и мукопротеины. При их гидролизе образуются различного раз мера пептиды и, возможно, небольшое число свободных аминокислот.

В желудочном соке детей грудного возраста, а также в секрете четвертого желудочка телят и других молодых жвачных животных содержится от личный от пепсина весьма активный фермент реннин. Он катализирует свертывание молока (превращение растворимого казеиногена в нераство римый казеин). У взрослых людей эту функцию выполняет пепсин. Ме ханизм этого процесса, несмотря на кажущуюся простоту, в деталях пока не выяснен. Предполагают, что реннин превращает растворимый казеиноген молока в параказеин, кальциевая соль которого нерастворима, и он выпадает в осадок. Интересно отметить, что после удаления ионов Са2+ из молока образования осадка не происходит. Наличие активного реннина в желудочном соке детей грудного возраста имеет, по-видимому, важное физиологическое значение, поскольку при свертывании молока, являюще гося основным пищевым продуктом в этом возрасте, резко замедляется продвижение нерастворимого казеина через пищеварительный канал, в ре зультате чего он дольше подвергается действию протеиназ.

Переваривание белков в кишечнике Дальнейшее превращение белков пищи осуществляется в тонкой кишке, где на белки действуют ферменты панкреатического и кишечного соков.

Трипсин и химотрипсин действуют на белки аналогично пепсину, раз рывают другие внутренние пептидные связи;

оба фермента наиболее ак тивны в слабощелочной среде (рН 7,2–7,8). Благодаря гидролитическому действию на белки всех трех эндопептидаз (пепсин, трипсин, химотрипсин) образуются различной длины пептиды и некоторое количество свободных аминокислот. Дальнейший гидролиз пептидов до свободных аминокислот осуществляется под влиянием группы ферментов – пептидаз. Помимо панкреатической карбоксипептидазы, на пептиды действуют кишечная аминопептидаза и разнообразные дипептидазы. Эта группа ферментов относится к экзопептидазам и катализирует гидролиз пептидной связи по схеме:

Аминопептидаза Карбоксипептидаза Точкой приложения аминопептидазы является пептидная связь с N-кон ца пептида. Карбоксипептидаза разрывает пептидную связь с противо положного С-конца пептида. Эти ферменты отщепляют по одной амино кислоте от полипептида.

В итоге остаются дипептиды, на которые действуют специфические дипептидазы, при этом образуются свободные аминокислоты, которые затем всасываются.

Из других ферментов протеолиза следует упомянуть об эластазе и коллагеназе поджелудочной железы, гидролизующих соответственно эластин и коллаген. Топографически основные процессы гидролиза бел ков, как и углеводов и жиров, протекают на поверхности слизистой оболочки кишечника (так называемое пристеночное пищеварение, по A.M. Уголеву).

ВСАСЫВАНИЕ ПРОДУКТОВ РАСПАДА БЕЛКОВ Продукты гидролиза белков всасываются в пищеварительном тракте в основном в виде свободных аминокислот. Кинетика всасывания амино кислот в опытах in vivo и in vitro свидетельствует, что + аминокислоты, подобно глюкозе, всасываются свободно с ионами Na. Для лизина, цистеина и цистина, глицина и пролина, очевидно, существует более одной системы транспорта через стенку кишечника. Некоторые аминокислоты обладают способностью конкурентно тормозить всасывание других амино кислот, что свидетельствует о вероятном существовании общей перено сящей системы или одного общего механизма. Так, в присутствии лизина тормозится всасывание аргинина, но не изменяется всасывание аланина, лейцина и глутамата.

Современные представления о проблеме транспорта веществ через мембраны (включая мембраны эпителиальных клеток кишечника) не позво ляют точно охарактеризовать молекулярный механизм транспорта амино кислот. Существует два представления, по-видимому, дополняющих друг друга о том, что требуемая для активного транспорта энергия образуется за счет биохимических реакций (это так называемый направляемый мета болизмом транспорт) или за счет энергии переноса другого транспорти руемого вещества, в частности энергии движения ионов Na+ (или других ионов) в клетку.

Данные о специфичности транспорта аминокислот через биомембраны клеток были получены при анализе наследственных дефектов всасывания аминокислот в кишечнике и почках. Классическим примером является цистинурия, при которой резко повышено содержание в моче цистина, аргинина, орнитина и лизина. Это повышение обусловлено наследственным нарушением механизма почечной реабсорбции. Цистин относительно не растворим в воде, поэтому он легко выпадает в осадок в мочеточнике или мочевом пузыре, в результате чего образуются цистиновые камни и не желательные последствия (закупорка мочевыводящего тракта, развитие инфекции и др.). Аналогичное нарушение всасывания аминокислот, в частности триптофана, наблюдается при болезни Хартнупа. Доказано всасывание небольших пептидов. Так, в опытах in vitro и in vivo свободный глицин всасывался значительно медленнее, чем дипептид глицилглицин или даже трипептид, образованный из трех остатков глицина. Тем не менее во всех этих случаях после введения олигопептидов с пищей в портальной крови обнаруживали свободные аминокислоты;

это свидетельствует о том, что олигопептиды подвергаются гидролизу после всасывания. В отдельных случаях отмечают всасывание больших пептидов. Например, некоторые растительные токсины, в частности абрин и рицин, а также токсины ботулизма, холеры и дифтерии всасываются непосредственно в кровь.

Дифтерийный токсин (мол. масса 63000), наиболее изученный из токсинов, состоит из двух функциональных полипептидов: связывающегося со спе цифическим рецептором на поверхности чувствительной клетки и другого – проникающего внутрь клетки и оказывающего эффект, который чаще всего сводится к торможению внутриклеточного синтеза белка. Транспорт этих двух полипептидов или целого токсина через двойной липидный слой биомембран до настоящего времени считается уникальным и загадочным процессом.

Ряд вопросов, однако, до сих пор остается нерешенным. Это, в част ности, вопросы о количестве всасывающихся небольших пептидов и месте их гидролиза (на клеточной поверхности или внутриклеточно), а также основная проблема: выяснение молекулярных механизмов работы тран спортных систем.

Превращения аминокислот под действием микрофлоры кишечника Известно, что микроорганизмы кишечника для своего роста также нуж даются в доставке с пищей определенных аминокислот. Микрофлора кишечника располагает набором ферментных систем, отличных от со ответствующих ферментов животных тканей и катализирующих самые разнообразные превращения пищевых аминокислот. В кишечнике созда ются оптимальные условия для образования ядовитых продуктов распада аминокислот: фенола, индола, крезола, скатола, сероводорода, метилмер каптана, а также нетоксичных для организма соединений: спиртов, аминов, жирных кислот, кетокислот, оксикислот и др.

Все эти превращения аминокислот, вызванные деятельностью микро организмов кишечника, получили общее название «гниение белков в ки шечнике». Так, в процессе распада серосодержащих аминокислот (цистин, цистеин, метионин) в кишечнике образуются сероводород H2S и метил меркаптан CH3SH. Диаминокислоты – орнитин и лизин – подвергаются процессу декарбоксилирования с образованием аминов – путресцина и кадаверина.

Из ароматических аминокислот: фенилаланин, тирозин и триптофан – при аналогичном бактериальном декарбоксилировании образуются соот ветствующие амины: фенилэтиламин, параоксифенилэтиламин (или тира мин) и индолилэтиламин (триптамин). Кроме того, микробные ферменты кишечника вызывают постепенное разрушение боковых цепей циклических аминокислот, в частности тирозина и триптофана, с образованием ядо витых продуктов обмена – соответственно крезола и фенола, скатола и индола.

Фенол Крезол Тирозин Индол Триптофан Скатол Индол Индоксил ФАФС 3,5'-АДФ Индонсилсерная Животный индикан кислота После всасывания эти продукты через воротную вену попадают в пе чень, где подвергаются обезвреживанию путем химического связывания с серной или глюкуроновой кислотой с образованием нетоксичных, так называемых парных, кислот (например, фенолсерная кислота или ска токсилсерная кислота). Последние выделяются с мочой. Механизм обез вреживания этих продуктов изучен детально. В печени содержатся спе цифические ферменты – арилсульфотрансфераза и УДФ-глюкоронилтран сфераза, катализирующие соответственно перенос остатка серной кислоты из ее связанной формы – 3'-фосфоаденозин-5'-фосфосульфата (ФАФС) и остатка глюкуроновой кислоты также из ее связанной формы – уридил дифосфоглюкуроновой кислоты (УДФГК) на любой из указанных про дуктов.

3'-Фосфоаденозин- Уридиндифосфоглюкуроновая 5'-фосфосульфат (ФАФС) кислота (УДФГК) Индол (как и скатол) предварительно подвергается окислению в ин доксил (соответственно скатоксил), который взаимодействует непосредст венно в ферментативной реакции с ФАФС или с УДФГК. Так, индол связывается в виде эфиросерной кислоты. Калиевая соль этой кислоты получила название животного индикана, который выводится с мочой (см.

главу 18). По количеству индикана в моче человека можно судить не только о скорости процесса гниения белков в кишечнике, но и о функциональном состоянии печени. О функции печени и ее роли в обезвреживании токсичных продуктов часто также судят по скорости образования и выделения гип пуровой кислоты с мочой после приема бензойной кислоты (см. главу 16).

–Н О Гиппуровая кислота Глицин Бензойная кислота Таким образом, организм человека и животных обладает рядом за щитных механизмов синтеза, биологическая роль которых заключается в обезвреживании токсичных веществ, поступающих в организм извне или образующихся в кишечнике из пищевых продуктов в результате жизне деятельности микроорганизмов.

Судьба всосавшихся аминокислот Приведенная ниже схема дает представление о многообразных путях использования аминокислот после всасывания в кишечнике. Поступив через воротную вену в печень, они прежде всего подвергаются ряду превращений, хотя значительная часть аминокислот разносится кровью по всему ор ганизму и используется для физиологических целей. В печени аминокислоты участвуют не только в синтезе собственных белков и белков плазмы крови, но также в синтезе специфических азотсодержащих соединений: пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, креатина, мочевой кислоты, НАД и др.

Печень, кроме того, обеспечивает сбалансированный пул свободных амино кислот организма путем синтеза заменимых аминокислот и перераспре деления азота в результате реакций трансаминирования.

Углеводы Липиды Холин Креатин Пептиды (глутатион, ансерин, карнозин и др.) Другие АМК Порфирины (гем, Нb, цитохромы и др.) Амино Белки (ферменты, гормоны, антитела и др.) кислоты Никотинамид, НАД Производные аминокислот с гормональной функцией (катехоламины, тироксин и др.) Биогенные амины Меланины -Кетокислоты (-оксикислоты) –> СО + Н О 2 Пурины, пиримидины Аммиак Мочевина Как видно из схемы, всосавшиеся аминокислоты в первую очередь используются в качестве строительного материала для синтеза специ фических тканевых белков, ферментов, гормонов и других биологически активных соединений. Некоторое количество аминокислот подвергается распаду с образованием конечных продуктов белкового обмена (СО2, Н2О и NH3) и освобождением энергии. Подсчитано, что в организме взрослого человека, находящегося на полноценной диете, образуется примерно 1200 кДж в сутки за счет окисления около 70 г аминокислот (помимо пищевых, также эндогенных аминокислот, образующихся при гидролизе тканевых белков). Это количество составляет около 10% от суточной потребности организма человека в энергии. Количество аминокислот, подвергающихся распаду, зависит как от характера питания, так и от физиологического состояния организма. Например, даже при полном го лодании или частичном белковом голодании с мочой постоянно выделяется небольшое количество азотистых веществ, что свидетельствует о непре рывности процессов распада белков тела. Аминокислоты, как и белки, не накапливаются и не откладываются в тканях (наподобие жиров и глико гена), и у взрослого человека при нормальной обеспеченности пищевым белком поддерживается довольно постоянная концентрация аминокислот в крови (см. главу 16).

Использование аминокислот в синтезе белка подробно рассмотрено в главе 14.

Транспорт аминокислот через клеточные мембраны Различная скорость проникновения аминокислот через мембраны клеток, установленная при помощи метода меченых атомов, свидетельствует о существовании в организме активной транспортной системы, обеспечи вающей перенос аминокислот как через внешнюю плазматическую мем брану, так и через систему внутриклеточных мембран. Несмотря на тща тельные исследования, проведенные в разных лабораториях, тонкие ме ханизмы функционирования активной системы транспорта аминокислот пока не расшифрованы. Очевидно, таких систем существует несколько.

В частности, А. Майстером предложена оригинальная схема транспорта нейтральных аминокислот через плазматическую мембрану, которая, по-видимому, активна в почечных канальцах, слизистой оболочке кишеч ника и ряде других тканей. Сущность этой гипотезы можно представить в виде схемы:

Аминокислота (вне клетки) „Узнавание" „Транслокация" (1) -Глутамил-цистеинил-глицин (глутатион) Цистеинил-глицин АДФ + Рi Носитель -Глутамил-амино кислота Пептидаза Глутатионсинтетаза АТФ -Глутамилциклотрансфераза Глицин -Глутамил-цистеин „Освобождение" Аминокислота (2) Цистеин (внутри клетки) АДФ + P i -Глутамилцистеинсинтетаза АТФ 5-Оксопролиназа „Восстановление" (3),(4),(5) 5-Оксопролин АТФ АДФ + Pi Глутаминовая кислота Предполагают, что главную роль в этом процессе играет мембранно связанный гликопротеин – фермент -глутамилтрансфераза, которая ката лизирует перенос -глутамильной группы от глутатиона или другого -глутамильного пептида на транспортируемую аминокислоту. Комплекс -глутамил–аминокислота после переноса через биомембрану распадается внутри клетки (или внутри субклеточного образования) под действием -глутамилциклотрансферазы на свободную аминокислоту и 5-оксопролин (пироглутаминовая кислота), образование которого почти целиком сдви гает реакцию расщепления комплекса вправо. Благодаря возможности ресинтеза глутатиона, требующего затраты энергии АТФ, цикл может повторяться многократно, транспортируя значительные количества амино кислот.

ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ ОБМЕН АМИНОКИСЛОТ В ТКАНЯХ Промежуточный метаболизм аминокислот белковых молекул, как и других питательных веществ в живых организмах, включает катаболические (рас пад до конечных продуктов обмена), анаболические (биосинтез амино кислот) процессы, а также ряд других специфических превращений, со провождающихся образованием биологически активных соединений. Ус ловно промежуточный метаболизм аминокислот можно разделить на общие пути обмена и индивидуальные превращения отдельных амино кислот (рис. 12.2).

Биогенные амины Глюконеоге СО Глюкоза Белки нез пищи -Кето СО2 + Н2O ЦТК кислоты Дыхание Белки NH тканей Мочевина Экскреция Рис. 12.2. Катаболизм аминокислот.

Общие пути обмена аминокислот Общие пути превращения аминокислот включают реакции дезаминиро вания, трансаминирования, декарбоксилирования, биосинтеза и рацеми зации. Рассмотрим подробно первые четыре реакции, имеющие значение для всех живых организмов. Реакции рацемизации характерны только для микроорганизмов;

открыты ферменты, катализирующие рацемизацию ряда аминокислот (Ала, Глу, Про, Мет, Лиз, Сер) и эпимеризацию оксипролина и,-диаминопимелиновой кислоты. Физиологическая роль рацемаз микроорганизмов сводится, вероятно, к синтезу D-изомеров аминокислот для построения клеточной оболочки.

Дезаминирование аминокислот Доказано существование 4 типов дезаминирования аминокислот (отщеп ление аминогруппы). Выделены соответствующие ферментные систе мы, катализирующие эти реакции, и идентифицированы продукты реак ции. Во всех случаях NH -группа аминокислоты освобождается в виде аммиака.

I. Восстановительное дезаминирование +2Н + NH II. Гидролитическое дезаминирование +H2O + NН III. Внутримолекулярное дезаминирование + NH IV. Окислительное дезаминирование + /2O + NH Помимо аммиака, продуктами дезаминирования являются жирные кис лоты, оксикислоты и кетокислоты. Для животных тканей, растений и боль шинства аэробных микроорганизмов преобладающим типом реакций яв ляется окислительное дезаминирование аминокислот, за исключением гис тидина, подвергающегося внутримолекулярному дезаминированию.

Рассмотрим более подробно механизм окислительного дезаминиро вания аминокислот, протекающего в две стадии.

Н2О -2Н NH Первая стадия является ферментативной и завершается образованием неустойчивого промежуточного продукта (иминокислота), который на вто рой стадии спонтанно без участия фермента, но в присутствии воды распадается на аммиак и -кетокислоту. Следует указать, что оксидазы аминокислот (L- и D-изомеров) являются сложными флавопротеинами, содержащими в качестве кофермента ФМН или ФАД, которые выполняют в этой реакции роль акцепторов двух электронов и протонов, отщеп ляющихся от аминокислоты. Оксидазы L-аминокислот могут содержать как ФМН, так и ФАД, а оксидазы D-аминокислот – только ФАД в качестве простетической группы. Схематически реакции окислительного дезами нирования аминокислот с участием коферментов могут быть представлены в следующем виде:

Оксидазы L- и D-аминокислот Н2O + NH ФАД ФАДН Восстановленные флавиннуклеотиды оксидаз L- и D-аминокислот могут непосредственно окисляться молекулярным кислородом. При этом обра зуется перекись водорода, которая подвергается расщеплению под дейст вием каталазы на воду и кислород.

Е-ФАДН2 + О2 —> Е-ФАД + Н2О2 Н2О2 —> Н2О + 1/2О Впервые в лаборатории Д. Грина из ткани печени и почек крыс была выделена оксидаза, катализирующая дезаминирование 12 природных (L-изомеров) аминокислот. Оказалось, однако, что этот фермент имеет оптимум действия в щелочной среде (рН 10,0) и при физиологических значениях рН его активность на порядок ниже, чем при рН 10,0. В тканях животных и человека отсутствует подобная среда, поэтому оксидазе L-ами нокислот принадлежит, вероятнее всего, ограниченная роль в процессе окислительного дезаминирования природных аминокислот. В животных тканях оксидазным путем со значительно большей скоростью дезами нируются D-изомеры аминокислот. Эти данные подтвердились после того, как из животных тканей был выделен специфический фермент оксидаза D-аминокислот, который в отличие от оксидазы L-аминокислот оказался высокоактивным при физиологических значениях рН среды. Не до конца ясным остается вопрос о том, каково значение столь активной оксидазы D-аминокислот в тканях, если поступающие с пищей белки и белки тела животных и человека состоят исключительно из природных (L-изомеров) аминокислот.

В животных тканях Г. Эйлером открыт высокоактивный при физиоло гических значениях рН специфический фермент (глутаматдегидрогеназа), катализирующий окислительное дезаминирование L-глутаминовой кисло ты. Он является анаэробным ферментом и чрезвычайно широко рас пространен во всех живых объектах. В качестве кофермента глутамат дегидрогеназа содержит НАД (или НАДФ). Реакция включает анаэробную фазу дегидрирования глутаминовой кислоты с образованием промежу точного продукта – иминоглутаровой кислоты и спонтанный гидролиз по следней на аммиак и -кетоглутаровую кислоту в соответствии со сле дующей схемой:

Глутаматдегидрогеназа Глутамат 2Н Н2О Н2О Иминоглутарат NH -Кетоглутарат Спонтанно Первая стадия окисления глутаминовой кислоты аналогична реакции окислительного дезаминирования. Восстановленный НАДН далее окисля ется при участии флавиновых ферментов и цитохромной системы (см. главу 9) с образованием конечного продукта воды. Образовавшийся аммиак благодаря обратимости ферментативной реакции, но обязательно в при сутствии восстановленного НАДФН может участвовать в синтезе глу тамата из -кетоглутаровой кислоты. Различают три разных типа глу таматдегидрогеназ: один из них использует в качестве кофермента как НАД, так и НАДФ (клетки животных);

два других используют или НАД, или НАДФ (микроорганизмы, клетки растений и грибов), соответственно катализируя дезаминирование или биосинтез глутамата.

Глутаматдегидрогеназа животных тканей является одним из наиболее изученных ферментов азотистого обмена. Это олигомерный фермент (мол.

масса 312000), состоящий из 6 субъединиц (мол. масса каждой около 52000) и проявляющий свою основную активность только в мультимерной форме.

При диссоциации этой молекулы на субъединицы, наступающей легко в присутствии НАДН, ГТФ и некоторых стероидных гормонов, фермент теряет свою главную глутаматдегидрогеназную функцию, но приобретает способность дезаминировать ряд других аминокислот. Это свидетельствует об аллостерической природе глутаматдегидрогеназы, действующей как регуляторный фермент в аминокислотном обмене.

Помимо перечисленных 4 типов дезаминирования аминокислот и фер ментов, катализирующих эти превращения, в животных тканях и печени человека открыты также три специфических фермента (серин- и треонин дегидратазы и цистатионин--лиаза), катализирующих неокислительное дезаминирование соответственно серина, треонина и цистеина.

Н2О Н2О Н2О Н2О NH3 NH Пируват L-серин -Кетобутират L-треонин Н2О H2S NH Пируват L-цистеин Конечными продуктами реакции являются пируват и -кетобутират, аммиак и сероводород. Поскольку указанные ферменты требуют при сутствия пиридоксальфосфата в качестве кофермента, реакция неокисли тельного дезаминирования, вероятнее всего, протекает с образованием шиффовых оснований как промежуточных метаболитов.

Наиболее изучен фермент треониндегидратаза, которая оказалась не только аллостерическим ферментом, но наряду с триптофан-2,3-диокси геназой и тирозинаминотрансферазой индуцибельным ферментом в жи вотных тканях (индукция синтеза ферментов de novo является общим свойством микроорганизмов). Так, при скармливании крысам гидролизата казеина активность треониндегидратазы печени повышается почти в раз. Этот синтез тормозится ингибитором белкового синтеза пуромицином.

Поскольку индукция почти полностью тормозится также глюкозой пищи, треонингидратаза, по-видимому, является ответственной за глюконеогенез, так как -кетобутират легко превращается в пируват и соответственно в глюкозу.

Трансаминирование аминокислот Под трансаминированием подразумевают реакции межмолекулярного пе реноса аминогруппы (NH —) от аминокислоты на -кетокислоту без промежуточного образования аммиака. Впервые реакции трансаминиро вания (прежнее название «переаминирование») были открыты в 1937 г.

советскими учеными А.Е. Браунштейном и М.Г. Крицман при изучении дезаминирования глутаминовой кислоты в мышечной ткани. Было за мечено, что при добавлении к гомогенату мышц глутаминовой и пиро виноградной кислот образуются -кетоглутаровая кислота и аланин без промежуточного свободного аммиака;

добавление аланина и -кетоглу таровой кислоты приводило к образованию соответственно пировиноград ной и глутаминовой кислот.

Глутамат Пируват -Кетоглутарат Аланин Реакции трансаминирования являются обратимыми и, как выяснилось позже, универсальными для всех живых организмов. Эти реакции про текают при участии специфических ферментов, названных А.Е. Браун штейном аминоферазами (по современной классификации, аминотранс феразы, или трансаминазы). Теоретически реакции трансаминиро вания возможны между любой амино- и кетокислотой, однако наиболее интенсивно они протекают в том случае, когда один из партнеров пред ставлен дикарбоновой амино- или кетокислотой. В тканях животных и у микроорганизмов доказано существование реакций трансаминирования между монокарбоновыми амино- и кетокислотами. Донорами NН -группы могут также служить не только -, но и -, - и -аминогруппы ряда аминокислот. В лаборатории А. Майстера доказано, кроме того, трансами нирование глутамина и аспарагина с кетокислотами в тканях животных.

В переносе аминогруппы активное участие принимает кофермент транс аминаз пиридоксальфосфат (производное витамина В ;

см. главу 5), ко торый в процессе реакции обратимо превращается в пиридоксаминфосфат.

Механизм реакции трансаминирования. Общую теорию механизма фер ментативного трансаминирования разработали советские ученые А.Е. Браун штейн и М.М. Шемякин. Одновременно подобный механизм был пред ложен американскими биохимиками Э. Снеллом и Д. Метцлером. Все трансаминазы (как и декарбоксилазы аминокислот) содержат один и тот же кофермент – пиридоксальфосфат. Для реакций трансаминирования харак терен общий механизм. Специфичность трансаминаз обеспечивается бел ковым компонентом. Ферменты трансаминирования катализируют перенос NH -группы не на -кетокислоту, а сначала на кофермент пиридоксаль фосфат. Образовавшееся промежуточное соединение (шиффово основание) подвергается внутримолекулярным превращениям (лабилизация -водо родного атома, перераспределение энергии связи), приводящим к осво бождению -кетокислоты и пиридоксаминфосфата;

последний на второй стадии реакции реагирует с любой другой -кетокислотой, что через те же стадии образования промежуточных соединений (идущих в обратном на правлении) приводит к синтезу новой аминокислоты и освобождению пиридоксальфосфата. Опуская промежуточные стадии образования шиф фовых оснований, обе стадии реакции трансаминирования можно пред ставить в виде общей схемы:

Более подробно механизм действия трансаминаз представлен на рис. 12.3.

В связи с тем что во всех пиридоксалевых ферментах (включая транс аминазы) карбонильная группа кофермента (—СНО) оказалась связанной с -аминогруппой лизина белковой части, в классический механизм реакции трансаминирования А.Е. Браунштейн и Э. Снелл внесли следующее до полнение. Оказалось, что взаимодействие между субстратом, т.е. L-амино кислотой (на рисунке – аспартат), и пиридоксальфосфатом происходит не путем конденсации с выделением молекулы воды, а путем реакции за мещения, при которой NH2-группа субстрата вытесняет -NН2-группу Белок-Лиз Фермент:

аспартатаминотрансфераза Кофермент:

пиридоксальфосфат Аспартат Белок Белок Шиффовы основания Белок Белок Н2O Оксалоацетат Пиридоксаминфосфат Рис. 12.3. Механизм действия пиридоксальфосфата в аспартатаминотрансферазе.

лизина в молекуле ферментного белка, что приводит к формированию пиридоксальфосфатного комплекса.

Существование представленного механизма реакции трансаминирова ния доказано разнообразными методами, включая методы спектрального анализа по идентификации промежуточных альдиминных и кетиминных производных пиридоксальфосфата.

Роль трансаминаз и реакций трансаминирования в обмене аминокислот.

Чрезвычайно широкое распространение трансаминаз в животных тканях, у микроорганизмов и растений, их высокая резистентность к физическим, химическим и биологическим воздействиям, абсолютная стереохимическая специфичность по отношению к L-аминокислотам, а также высокая ка талитическая активность в процессах трансаминирования послужили пред метом детального исследования роли этих ферментов в обмене амино кислот. Ранее было указано, что при физиологических значениях рН среды активность оксидазы L-аминокислот резко снижена. Учитывая это об стоятельство, а также высокую скорость протекания реакции трансами нирования, А.Е. Браунштейн выдвинул гипотезу о возможности существо вания в животных тканях непрямого пути дезаминирования аминокислот через реакции трансаминирования, названного им трансдезаминированием.

Основой для выдвижения этой гипотезы послужили также данные Г. Эйлера о том, что в животных тканях из всех природных аминокислот с высокой скоростью дезаминируется только L-глутаминовая кислота в реакции, катализируемой высокоактивной и специфической глутамат дегидрогеназой.

Согласно гипотезе, получившей экспериментальное подтверждение, все или почти все природные аминокислоты (исключение составляет метионин) сначала реагируют с -кетоглутаровой кислотой в реакции трансами нирования с образованием глутаминовой кислоты и соответствующей кетокислоты. Образовавшаяся глутаминовая кислота затем подвергается непосредственному окислительному дезаминированию под действием глу таматдегидрогеназы. Схематически механизм трансдезаминирования мож но представить в следующем виде:

-Кетоглутарат НАДН + H+ + NH R1–CH(NH2)–COOH L-Глутамат НАД+ + H2O R1–CO–COOH Трансаминаза Глутаматдегидро геназа Суммарная реакция при этом следующая:

R1—CH(NH2)—COOH + НАД+ + Н2O –> R1—СО—СООН + НАДН2 + NH3.

Поскольку обе реакции (трансаминирование и дезаминирование глу таминовой кислоты) являются обратимыми, создаются условия для синтеза по существу любой аминокислоты, если в организме имеются соответст вующие -кетокислоты. Известно, что организм животных и человека не наделен способностью синтеза углеродных скелетов (-кетокислот), так называемых незаменимых аминокислот;

этой способностью обладают только растения и многие микроорганизмы.

Механизм, при помощи которого в живых организмах осуществляется синтез природных аминокислот из -кетокислот и аммиака, был назван Трансаминазы -Кетокислоты L-AMK Белки тканей L-Глу -КГ Глу-дегидро геназа Мочевина NН Рис. 12.4. Центральная роль трансаминаз L-аминокислот и глутаматдегидрогеназы в биосинтезе и распаде аминокислот в тканях животных.

АМК - аминокислоты;

-КГ - -кетоглутарат.

А.Е. Браунштейном трансреаминированием. Сущность его сводится к вос становительному аминированию -кетоглутаровой кислоты с образованием глутаминовой кислоты (реакцию катализирует НАДФ-зависимая глута матдегидрогеназа, работающая в режиме синтеза) и к последующему трансаминированию глутамата с любой -кетокислотой. В результате образуется L-аминокислота, соответствующая исходной кетокислоте, и вновь освобождается -кетоглутаровая кислота, которая может акцеп тировать новую молекулу аммиака. Роль реакций трансаминирования как в дезаминировании, так и в биосинтезе аминокислот может быть пред ставлена в виде схемы:

Трансаминаза Глутаматдегидрогеназа + НАД + Пиридоксаль- НАДФ фосфат L-аминокислота L-глутамат + НАДФН+ Н + НАДН + Н Н2О Иминоглутарат NH Пиридоксаминфосфат -Кетокислота -Кетоглутарат Таким образом, трансаминазы катализируют опосредованное через глутаматдегидрогеназу дезаминирование природных аминокислот (черные стрелки) и биосинтез аминокислот (красные стрелки). В более упрощенной форме роль этих ключевых ферментов азотистого обмена представлена на рис. 12.4.

Получены доказательства существования в организме теплокровных животных еще одного механизма непрямого (опосредованного) дезами нирования L-аминокислот, при котором Глу, Асп и АМФ выполняют роль системы переноса NН2-группы;

гидролитическое дезаминирование АМФ приводит к образованию инозинмонофосфата (ИМФ) и аммиака:

L-AMK —> Глу —> Асп —> АМФ —> NH3 + ИМФ Возможно, что в аналогичной системе в качестве промежуточного переносчика NH2-группы вместо АМФ участвует НАД.

Клиническое значение определения активности трансаминаз. Широкое распространение и высокая активность трансаминаз в органах и тканях человека, а также сравнительно низкие величины активности этих фер ментов в крови послужили основанием для определения уровня ряда трансаминаз в сыворотке крови человека при органических и функциональ ных поражениях разных органов. Для клинических целей наибольшее значение имеют две трансаминазы – аспартат-аминотрансфераза (AcAT) и аланин-аминотрансфераза (АлАТ), катализирующие соответственно сле дующие обратимые реакции:

Аспартат + -Кетоглутарат Оксалоацетат + Глутамат Аланин + -Кетоглутарат Пируват + Глутамат В сыворотке крови здоровых людей активность этих трансаминаз в тысячи раз ниже, чем в паренхиматозных органах. Поэтому органические поражения при острых и хронических заболеваниях, сопровождающиеся деструкцией клеток, приводят к выходу трансаминаз из очага поражения в кровь. Так, уже через 3–5 ч после развития инфаркта миокарда уровень АсАТ в сыворотке крови резко повышается (в 20–30 раз). Максимум активности обеих трансаминаз крови приходится на конец первых суток, а уже через 2–3 дня при благоприятном исходе болезни уровень сы вороточных трансаминаз возвращается к норме. Напротив, при затяжном процессе или наступлении повторного инфаркта миокарда наблюдается новый пик повышения активности этих ферментов в крови. Этим объяс няется тот факт, что в клинике трансаминазный тест используется не только для постановки диагноза, но и для прогноза и проверки эффективности лечения *. При поражениях клеток печени, например при гепатитах, также наблюдается гипертрансаминаземия (за счет преимущественного повыше ния уровня АлАТ), но она имеет более умеренный и затяжной характер, а повышение активности трансаминазы в сыворотке крови происходит медленно. При различного рода коронарной недостаточности (стенокардия, пороки сердца и др., кроме инфаркта миокарда) гипертрансаминаземия или не наблюдается, или незначительна. Определение активности трансаминаз в сыворотке крови при заболеваниях сердца следует отнести к диффе ренциально-диагностическим лабораторным тестам. Повышение уровня трансаминаз в сыворотке крови отмечено, кроме того, при некоторых заболеваниях мышц, в частности при обширных травмах, гангрене ко нечностей и прогрессивной мышечной дистрофии.

Превращения -кетокислот. Образовавшиеся в процессе дезаминиро вания и трансдезаминирования -кетокислоты подвергаются в тканях жи вотных различным превращениям и могут вновь трансаминироваться с образованием соответствующей аминокислоты. Это так называемый синтетический путь превращения. Опыты с перфузией растворов -кето кислот и аммиака через изолированную печень показали, что в оттекающей из печени жидкости действительно имеются соответствующие исходным * В настоящее время с диагностической целью в клинике внутренних болезней широко используют наборы химических реактивов для быстрого (экспрессного) определения ак тивности трансаминаз в сыворотке крови.

кетокислотам L-аминокислоты. Открыты, кроме того, гликогенные, кето генные и окислительные пути, ведущие к образованию соответственно глюкозы, жирных кислот, кетоновых тел и компонентов цикла трикарбо новых кислот (ЦТК). Эти процессы можно представить в виде общей сводной схемы:

Глюкоза Жирные кислоты Ала, Гли, Лей, Фен, Сер, Тре, Трп ПВК Ацетил-КоА Цис Асп, Асн ЩУК Ацетоацетил-КоА ЦТК -КГ Фен, Лиз, Apг, Гис, Тир, Лей Про, Глн, Глу Иле, Вал, Сукцинил КоА СО2 Н2О + Энергия Мет, Тре Углеродные скелеты аминокислот могут включаться в ЦТК через ацетил-КоА, пируват, оксалоацетат, -кетоглутарат и сукцинил-КоА. Пять аминокислот (Фен, Лиз, Лей, Трп, Тир) считаются «кетогенными», по скольку они являются предшественниками кетоновых тел, в частности ацетоуксусной кислоты, в то время как большинство других аминокислот, обозначаемых как «гликогенные», служат в организме источником угле водов, в частности глюкозы. Подобный синтез углеводов de novo уси ливается при некоторых патологических состояниях, например при са харном диабете, а также при гиперфункции коркового вещества над почечников и введении глюкокортикоидов (см. главу 8). Разделение амино кислот на «кетогенные» и «гликогенные» носит, однако, условный характер, поскольку отдельные участки углеродных атомов Лиз, Трп, Фен и Тир могут включаться и в молекулы предшественников глюкозы, например Фен и Тир – в фумарат. Истинно «кетогенной» аминокислотой является только лейцин.

Декарбоксилирование аминокислот Процесс отщепления карбоксильной группы аминокислот в виде СО получил название декарбоксилирования. Несмотря на ограниченный круг аминокислот и их производных, подвергающихся декарбоксилиро ванию в животных тканях, образующиеся продукты реакции – биогенные амины – оказывают сильное фармакологическое действие на множество физиологических функций человека и животных. В животных тканях уста новлено декарбоксилирование следующих аминокислот и их производных:

тирозина, триптофана, 5-окситриптофана, валина, серина, гистидина, глу таминовой и -оксиглутаминовой кислот, 3,4-диоксифенилаланина, цис теина, аргинина, орнитина, S-аденозилметионина и -аминомалоновой кислоты. Помимо этого, у микроорганизмов и растений открыто де карбоксилирование ряда других аминокислот.

В живых организмах открыты 4 типа декарбоксилирования амино кислот:

1. -Декарбоксилирование, характерное для тканей животных, при ко тором от аминокислот отщепляется карбоксильная группа, стоящая по соседству с -углеродным атомом. Продуктами реакции являются СО и биогенные амины:

2. -Декарбоксилирование, свойственное микроорганизмам. Например, из аспарагиновой кислоты этим путем образуется -аланин:

3. Декарбоксилирование, связанное с реакцией трансаминирования:

В этой реакции образуются альдегид и новая аминокислота, соот ветствующая исходной кетокислоте.

4. Декарбоксилирование, связанное с реакцией конденсации двух мо лекул:

Эта реакция в тканях животных осуществляется при синтезе -амино левулиновой кислоты из глицина и сукцинил-КоА (см. главу 13) и при синтезе сфинголипидов, а также у растений при синтезе биотина.

Реакции декарбоксилирования в отличие от других процессов про межуточного обмена аминокислот являются необратимыми. Они ката лизируются специфическими ферментами – декарбоксилазами аминокислот, отличающимися от декарбоксилаз -кетокислот (см. главу 10) как бел ковым компонентом, так и природой кофермента. Декарбоксилазы амино кислот состоят из белковой части, обеспечивающей специфичность дейст вия, и простетической группы, представленной пиридоксальфосфатом (ПФ), как и у трансаминаз.

Таким образом, в двух совершенно различных процессах обмена аминокислот участвует один и тот же кофермент. Исключение составляют две декарбоксилазы: гистидиндекарбоксилаза Micrococcus и Lactobacilus и аденозилметионин-декарбоксилаза Е. coli, содержащие вместо ПФ остаток пировиноградной кислоты *.

Механизм реакции декарбоксилирования аминокислот в соответствии с общей теорией пиридоксалевого катализа (см. рис. 12.3) сводится к образованию ПФ-субстратного комплекса, представленного, как и в реак циях трансаминирования, шиффовым основанием ПФ и аминокислоты:

АМК Шиффово основание ПФ Образование подобного комплекса в сочетании с некоторым оття гиванием электронов белковой частью молекулы фермента сопровождается лабилизацией одной из трех связей при -углеродном атоме, благодаря чему аминокислота способна вступать в реакции трансаминирования (а), декарбоксилирования (b) и альдольного расщепления (с).

Далее представлены отдельные примеры декарбоксилирования амино кислот, в частности тех, продукты реакции которых оказывают сильное фармакологическое действие. Одним из хорошо изученных ферментов является декарбоксилаза ароматических аминокислот. Она не обладает строгой субстратной специфичностью и катализирует декарбок силирование L-изомеров триптофана, 5-окситриптофана и 3,4-диоксифе нилаланина (ДОФА);

продуктами реакций, помимо СО2, являются соот ветственно триптамин, серотонин и диоксифенилэтиламин (дофамин).

3,4-Диоксифенилаланин Триптофан 5-Окситриптофан (ДОФА) СO СО2 СО Триптамин Серотонин Дофамин * Предполагают, что некоторые декарбоксилазы животных тканей, декарбоксилирующие, например, S-аденозилметионин, фосфатидилсерин и аспартат, также содержат пируват.

Декарбоксилаза ароматических аминокислот получена в чистом виде (мол. масса 112000), кофермент – ПФ. В больших количествах она со держится в надпочечниках и ЦНС, играет важную роль в регуляции содержания биогенных аминов. Образующийся из 5-окситриптофана серо тонин оказался высокоактивным биогенным амином сосудосуживающего действия. Серотонин регулирует артериальное давление, температуру тела, дыхание, почечную фильтрацию и является медиатором нервных процессов в ЦНС. Некоторые авторы считают серотонин причастным к развитию аллергии, демпинг-синдрома, токсикоза беременных, карциноидного син дрома и геморрагических диатезов.

Продукт декарбоксилазной реакции дофамин является предшествен ником катехоламинов (норадреналина и адреналина). Источником ДОФА в организме является тирозин, который под действием специфической гидроксилазы превращается в 3,4-диоксифенилаланин (см. главу 8). Тиро зин-3-монооксигеназа открыта в надпочечниках, ткани мозга и перифе рической нервной системы. Простетической группой тирозин-моноокси геназы, как и дофамин-монооксигеназы (последняя катализирует превра щение дофамина в норадреналин) является тетрагидробиоптерин, имеющий следующее строение:

Физиологическая роль тирозин-3-монооксигеназы чрезвычайно велика, поскольку катализируемая этим ферментом реакция определяет скорость биосинтеза катехоламинов, регулирующих деятельность сердечно-сосудис той системы. В медицинской практике широко используются ингибиторы декарбоксилазы ароматических аминокислот, в частности -метилдофа (альдомет), вызывающий снижение артериального давления.

В животных тканях с высокой скоростью протекает декарбоксилиро вание гистидина под действием специфической декарбоксилазы.

СО Гистидин Гистамин Гистамин оказывает широкий спектр биологического действия. По механизму действия на кровеносные сосуды он резко отличается от других биогенных аминов, так как обладает сосудорасширяющим свойством.

Большое количество гистамина образуется в области воспаления, что имеет определенный биологический смысл. Вызывая расширение сосудов в очаге воспаления, гистамин тем самым ускоряет приток лейкоцитов, способствуя активации защитных сил организма. Кроме того, гистамин участвует в секреции соляной кислоты в желудке, что широко используется в клинике при изучении секреторной деятельности желудка (гистаминовая проба). Он имеет прямое отношение к явлениям сенсибилизации и десенсибилизации.

При повышенной чувствительности к гистамину в клинике используют антигистаминные препараты (санорин, димедрол и др.), оказывающие влияние на рецепторы сосудов. Гистамину приписывают также роль ме диатора боли. Болевой синдром – сложный процесс, детали которого пока не выяснены, но участие в нем гистамина не подлежит сомнению.

В клинической практике широко используется, кроме того, продукт -декарбоксилирования глутаминовой кислоты – -аминомасляная кислота (ГАМК). Фермент, катализирующий эту реакцию (глутаматдекарбокси лаза), является высокоспецифичным.

+ СО Интерес к ГАМК объясняется ее тормозящим действием на деятель ность ЦНС. Больше всего ГАМК и глутаматдекарбоксилазы обнаружено в сером веществе коры большого мозга, в то время как белое вещество мозга и периферическая нервная система их почти не содержат. Введение ГАМК в организм вызывает разлитой тормозной процесс в коре (цент ральное торможение) и у животных приводит к утрате условных рефлексов.

ГАМК используется в клинике как лекарственное средство при некоторых заболеваниях ЦНС, связанных с резким возбуждением коры большого мозга. Так, при эпилепсии хороший эффект (резкое сокращение частоты эпилептических припадков) дает введение глутаминовой кислоты. Как оказалось, лечебный эффект обусловлен не самой глутаминовой кислотой, а продуктом ее декарбоксилирования – ГАМК.

В животных тканях с высокой скоростью декарбоксилируются также два производных цистеина – цистеиновая и цистеинсульфиновая кислоты. В процессе этих специфических ферментативных реакций образуется таурин, который используется в организме для синтеза парных желчных кислот (см.

главу 11).

1/2O Цистеинсульфиновая Цистеиновая кислота кислота СО CO 1/2O Гипотаурин Таурин Следует указать еще на два недавно открытых в тканях животных фермента, катализирующих декарбоксилирование орнитина и S-аденозил метионина: орнитиндекарбоксилазу и аденозилметиониндекарбоксилазу.

СО Орнитин Путресцин СО S-аденозилметионин S- метиладенозилгомоцистеамин Значение этих реакций для тканей животных огромно, поскольку про дукты реакций используются для синтеза полиаминов – спермидина и спер мина.

Ориитин S-Аденозилметионин Орнитинде Аденозилметионин карбонсилаза СО декарбоксилаза СО S-Метиладенозилгомоцистеамин Путресцин Пропиламин 5'-Метилтио Спермидин аденозин синтаза Спермидин Пропиламин 5'-Метилтио Спермин аденозин синтаза Спермин Полиамины, к которым относят также диамин путресцин, играют важную роль в процессах клеточного роста и дифференцировки, в ре гуляции синтеза ДНК, РНК и белка, стимулируя транскрипцию и трансля цию (см. далее), хотя конкретный механизм участия их в указанных процессах не всегда ясен.

Таким образом, биогенные амины являются сильными фармаколо гически активными веществами, оказывающими разностороннее влияние на физиологические функции организма. Некоторые биогенные амины нашли широкое применение в качестве лекарственных препаратов.

Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 14 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.