Биохимия.ру полный курс лекций
.pdf
biokhimija.ru |
Тимин О.А. Лекции по биологической химии |
91 |
|
|
|
|
|
|
Р АЗ О Б Щ И Т Е Л И
Разобщители – это вещества, которые снижают величину электрохимического градиента, что приводит к увеличению скорости движения электронов по ферментам дыхательной цепи. В результате этого уменьшается синтез АТФ и возрастает катаболизм.
Так как электрохимический градиент состоит из двух компонентов (электрического и химического), то существуют два принципиальных способа его уменьшить – нивелировать разность зарядов или разность концентрации ионов водорода.
К разобщителям в первую очередь относят "протонофоры" – вещества переносящие ионы водорода. При этом уменьшаются оба компонента электрохимического градиента. Классическим протонофором является динитрофенол, жирорастворимое соединение, присоединяющие ионы водорода на внешней поверхности внутренней митохондриальной мембраны и отдающие их на внутренней поверхности. Протонофоры одновременно снижают электрическую и химическую составляющую протонного градиента, энергия которого рассеивается в виде тепла.
Физиологическим протонофором является белок "термогенин", в изобилии имеющийся в клетках бурой жировой ткани (до 15% от всех белков ми-
тохондрий). Существенным отличием бурой жировой ткани от белой является большое количество митохондрий, которые придают клеткам буро-красный цвет. При охлаждении организма эти клетки получают сигналы по симпатическим нервам, и в них активируется расщепление жира – липолиз. Окисление жиров приводит к получению НАДН и ФАДН2, активизации работы дыхательной цепи и возрастанию электрохимического градиента. Однако АТФ-синтазы в мембранах митохондрий этих клеток мало, зато много термогенина. Благодаря ему, большая часть энергии ионов водорода рассеивается в виде тепла, обеспечивая поддержание температуры тела при охлаждении.
Кроме динитрофенола и термогенина протонофорами, к примеру, являются салицилаты, жирные кислоты и трийодтиронин.
Общие пути биологического окисления |
92 |
|
|
ИН Г И Б И Т О Р Ы Ф Е Р М Е Н ТО В
ДЫ Х АТ Е Л Ь Н О Й Ц Е П И
Ряд веществ может ингибировать ферменты дыхательной цепи и блокировать движение электронов от НАДН и ФАДН2 на кислород.
Выделяют три основных группы ингибиторов:
o действующие на I комплекс, например, амитал, ротенон, прогестерон, o действующие на III комплекс, например, антимицин А,
o действующие на IV комплекс, например, сероводород (H2S), угарный газ (СО), циа-
ниды (-CN).
К О Э Ф Ф И Ц И Е Н Т Р / О
Энергетическую ценность и выгодность окисления вещества можно подсчитать. Количество запасенной энергии при окислении того или иного соединения характеризует количество АТФ, а эффективность использования энергии вещества и ее захвата – коэффициент
P/O.
Коэффициент Р/О – это отношение количества неорганического фосфата, включенного в молекулу АТФ АТФ-синтазой к количеству атомов кислорода, включенного в молекулу Н2О, при переносе одной пары электронов по дыхательной цепи.
Экспериментально установлено, что при окислении веществ с участием НАДзависимых дегидрогеназ, соотношение количества включенного в АТФ фосфата относится к количеству использованных атомов кислорода как 3 к 1, т.е. коэффициент P/O равен трем. Аналогично для ФАД-зависимых дегидрогеназ коэффициент P/O равен двум.
Для расчета Р/О при окислении какой-либо молекулы необходимо знать:
o восстановленный эквивалент (молекула НАДН или ФАДН2) передает в цепь переноса электронов по 2 электрона.
o для восстановления кислорода в воду необходима 1 пара электронов.
o при прохождении пары электронов через всю дыхательную цепь (т.е. через I, III, IV комплексы) выкачивается столько ионов Н+, сколько необходимо для синтеза 3 молекул АТФ, или по-другому, в состав АТФ включается три атома неорганического фосфата.
biokhimija.ru |
Тимин О.А. Лекции по биологической химии |
93 |
|
|
|
o при прохождении пары электронов через III и IV комплексы дыхательных ферментов ионов Н+ выкачивается столько, сколько необходимо для синтеза 2 молекул АТФ, или, по-другому, в состав АТФ включается два атома неорганического фосфата.
Таким образом, коэффициент Р/О для НАДН равен 3, коэффициент Р/О для ФАДН2 равен 2.
РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ КОЭФФИЦИЕНТ А Р/О ПРИ ОКИСЛЕНИИ НЕКОТОРЫХ АМИНОКИСЛОТ
При расчете энергетической ценности, т.е. количества АТФ, образующейся при окислении аминокислот, и коэффициента Р/О необходимо представлять себе весь путь аминокислоты до полного окисления ее углеродных атомов в СО2. При этом необходимо учитывать
число атомов углерода в молекуле.
Например, аспартат содержит 4 атома углерода и поэтому его остатку необходимо пройти 2 оборота ЦТК, прежде чем они выделятся в виде СО2. Подсчитывая число восстановленных НАДН, ФАДН2 и ГТФ, образуемых в двух оборотах ЦТК, определяем сумму АТФ – 24 молекулы. При расчете коэффициента Р/О учитываем только фосфат, включенный в АТФ ферментом АТФ-синтазой, т.е. в процессе окислительного фосфорилирования. Это значит, что фосфат, входящий в ГТФ, не учитывается! И, наконец, помним, что каждая молекула восстановленного эквивалента (т.е. НАДН или ФАДН2) передает на дыхательную цепь по одной паре электронов, которые проходят разное расстояние: от НАДН – три комплекса ферментов, от ФАДН2 – 2 комплекса ферментов, но в любом случае восстанавливают до воды по одному атому кислорода.
Общие пути биологического окисления |
94 |
|
|
Схожим образом рассчитываем требуемые значения суммы АТФ и коэффициента Р/О для аланина и глутамата.
Два атома углерода аланина попадают в ЦТК после того, как безазотистый остаток аланина – пируват – окислится в пируват-дегидрогеназном комплексе с образованием НАДН. Образованный ацетил-S-КоА входит в ЦТК и полностью окисляется в одном его обороте. В результате в дыхательную цепь направляется 4 молекулы НАДН и 1 молекула ФАДН2.
В случае с глутаматом надо учесть, что -кетоглутарат, образуемый из глутаминовой кислоты, является метаболитом цикла Кребса. Он сразу превращается в сукцинил-S-КоА и далее по реакциям ЦТК до оксалоацетата. Для окисления оксалоацетата требуется два оборота ЦТК (см выше).
Г И П О Э Н Е Р Г Е Т И Ч Е С К И Е С О С Т О Я Н И Я
Причинами гипоэнергетических состояний может быть следующее:
o гиповитаминозы экзогенные и/или эндогенные – снижается скорость и эффективность окислительных реакций. Возникает обычно при нехватке витаминов группы В
– В1, В2, никотиновой кислоты, В6, пантотеновой кислоты и аскорбиновой кислоты.
oдефицит белка в пище – снижается синтез всех ферментов и ферментов катаболизма
вчастности.
o снижение потребления углеводов и липидов как основных источников энергии.
o дефицит кислорода – отсутствие акцептора для электронов вызывает "переполнение" дыхательных ферментов, повышение электрохимического градиента, накопление НАДН и ФАДН2 в клетке и прекращение катаболизма.
o дефицит железа – компонента цитохромов, миоглобина и гемоглобина, и меди – компонента цитохромоксидазы.
biokhimija.ru |
Тимин О.А. Лекции по биологической химии |
95 |
|
|
|
|
|
|
ИС П О Л Ь З О В АН И Е АТ Ф И
ЕГ О П Р Е Д ШЕ С Т В Е Н Н И КО В В М Е Д И Ц И Н Е
1.Внутримышечные инъекции раствора АТФ используют при мышечной дистрофии и атрофии, спазме периферических сосудов (болезнь Рейно, облитерирующий тромбоангиит), для стимулирования родовой деятельности.
2.Фосфаден – лекарственное название АМФ. Особенностью препарата является его сосудорасширяющий эффект и способность улучшать периферическое кровообращение. Фосфаден применяют при свинцовом отравлении, острой перемежающейся порфирии, сосудистых нарушениях и ишемической болезни сердца, болезнях печени.
3.Рибоксин или Инозин является непосредственным предшественником АТФ. Инозин способен проникать в клетки и повышать их энергетический баланс. Имеются данные о способности препарата повышать активность ферментов ЦТК, стимулировать синтез нуклеотидов и улучшать коронарное кровообращение.
ОБМЕН АМИНОКИСЛОТ И БЕЛКОВ
АЗ О Т И С Т Ы Й Б АЛ АН С
Во всех клетках организма постоянно идут процессы анаболизма и катаболизма. Также как и любые другие молекулы, белковые молекулы в организме непрерывно распадаются и синтезируются, т.е. идет процесс самообновления белков. В здоровом организме мужчины массой 70 кг величина скорости распада соответствует скорости синтеза и равна 500 г белка в сутки.
Если скорость синтеза белков равна скорости их распада, наступает азотистый баланс, или, по другому, это состояние, когда количество выводимого азота равно количеству полу-
чаемого (Vпоступ = Vвывод).
Если синтез белков превышает скорость их распада, то количество выводимого азота
снижается и разность между поступающим азотом и выводимым (Vпоступ – Vвывод) становится положительной. В этом случае говорят о положительном азотистом балансе. Положитель-
ный азотистый баланс наблюдается у здоровых детей, при нормальной беременности, выздоравливающих больных, спортсменов при наборе формы, т.е. в тех случаях, когда усиливается синтез структурных и функциональных белков в клетках.
При возрастании доли выводимого азота наблюдается отрицательный азотистый баланс. Отрицательный баланс отмечается у больных и голодающих.
Всемирная организация здравоохранения рекомендует принимать не менее 42 г пол-
ноценного белка в сутки – это физиологический минимум. Только в этом случае в орга-
низме наступает азотистый баланс.
В реальности нормы потребления белка устанавливаются, исходя из представлений о белковом составе пищевых продуктов, о соотношении полноценных и неполноценных белков в рационе. В России нормы суточного поступления пищевого белка для взрослых установлены на уровне 100-120 г, для детей 1 года жизни – 2-3 г на кг веса тела, у старших детей – около 1,5-2 г/кг веса. Животных белков должно быть не менее 60% от общего количества.
В разных странах нормы потребления белка варьируют от 180-200 г/сут в Швеции до 60-70 г/сут в США. Причины таких различий не совсем ясны, возможно, это связано с климатическими условиями разных стран или свою роль играет соотношение полноценных и неполноценных белков в рационе.
Основной трудностью при расчете нормативов потребления белков является разнообразие их аминокислотного состава и неодинаковая потребность организма в разных аминокислотах. В связи с этим введены критерии качества белка:
●соотношение заменимых и незаменимых аминокислот – в белке должно быть не менее 32% незаменимых аминокислот,
●близость аминокислотного состава белка к аминокислотному составу усредненного белка тела человека,
●легкость переваривания в ЖКТ.
Существует понятие оптимального по всем параметрам идеального белка, к нему наиболее близок белок куриного яйца. Растительные белки считаются неполноценными, так
biokhimija.ru |
Тимин О.А. Лекции по биологической химии |
97 |
|
|
|
как в их составе мало незаменимых аминокислот, доля тех или иных аминокислот в растительном белке резко отличается от таковой животного белка.
Так как аминокислоты необходимы в определенном соотношении, то возникает понятие "лимитирующей аминокислоты", т.е. поступающей в минимальном и недостаточном количестве. Отсутствие этой аминокислоты препятствует использованию (включению в состав белка) других аминокислот, которых может быть достаточно.
Также в таких продуктах, как бобовые (соя, горох, фасоль) содержится пептид
– ингибитор трипсина, ухудшающий переваривание этих продуктов в сыром, термически необработанном виде.
У детей при недостатке белка в пище задерживается рост, отстает физическое и умственное развитие, изменяется состав костной ткани, снижается активность иммунной системы и сопротивляемость к заболеваниям, тормозится деятельность эндокринных желез. Выраженным нарушением потребления белков является квашиоркор – нехватка белков, особенно животных, в пище. В результате возникает дисбаланс аминокислотного состава пищи и недостаток незаменимых аминокислот. Заболевание наиболее характерно для слаборазвитых стран Азии и Африки и его начало совпадает с отнятием ребенка от груди матери (1,5-3 годика), когда он лишается полноценного белка и переходит на скудное растительное питание взрослых. У больных наблюдается истощение, остановка роста, отечность, анемия, нарушение интеллекта и памяти, умственная отсталость, гипопротеинемия и аминоацидурия.
В Н Е ШН И Й О Б М Е Н АМ И Н О К И С Л О Т И Б Е Л К О В
Переваривание белков начинается в желудке, продолжается в двенадцатиперстной кишке и тонком кишечнике. Распад белков и аминокислот может происходить также в толстом кишечнике под влиянием микрофлоры.
Протеолитические ферменты подразделяют по особенности их действия на экзопептидазы, отщепляющие концевые аминокислоты, и эндопептидазы, действующие на внутренние пептидные связи.
ЖЕ Л У Д О К
Вжелудке пища подвергается воздействию желудочного сока, включающего соляную кислоту и ферменты. К ферментам желудка относятся две группы протеаз с разным оптимумом рН, которые упрощенно называют пепсин и гастриксин. У грудных детей основным ферментом является реннин.
РЕ Г У Л Я Ц И Я Ж Е Л У Д О Ч Н О Г О П И Щ Е В А Р Е Н И Я
Осуществляется нервными (условные и безусловные рефлексы) и гуморальными механизмами.
К гуморальным регуляторам желудочной секреции относятся гастрин и гистамин. Гастрин выделяется специфичными G-клетками:
o в ответ на раздражение механорецепторов,
o в ответ на раздражение хеморецепторов (продукты первичного гидролиза белков), o под влиянием n.vagus.
Гастрин стимулирует главные, обкладочные и добавочные клетки, что вызывает секрецию желудочного сока, в большей мере соляной кислоты. Также гастрин обеспечивает секрецию гистамина.
Гистамин, образующийся в энтерохромаффиноподобных клетках (ECL-клетки, принадлежат фундальным железам) слизистой оболочки желудка, взаимодействует с
Обмен аминокислот и белков |
98 |
|
|
Н2-рецепторами на обкладочных клетках желудка, увеличивает в них синтез и выделение соляной кислоты.
Закисление желудочного содержимого подавляет активность G-клеток и по механизму обратной отрицательной связи снижает секрецию гастрина и желудочного сока.
СОЛЯНАЯ КИСЛОТА
Одним из компонентов желудочного сока является соляная кислота. В образовании соляной кислоты принимают участие париетальные (обкладочные) клетки желудка, образующие ионы Н+ и переносящие ионы Сl– из крови в полость желудка.
Функции соляной кислоты o денатурация белков пищи, o бактерицидное действие,
o высвобождение железа из комплекса с белками и перевод его в двухвалентную форму, что необходимо для его всасывания,
o превращение неактивного пепсиногена в активный пепсин,
o снижение рН желудочного содержимого до 1,5-2,5 и создание оптимума рН для работы пепсина,
o стимуляция секреции кишечного гормона секретина.
ПЕПСИН
Пепсин – эндопептидаза, то есть расщепляет внутренние пептидные связи в молекулах белков и пептидов.
Синтезируется в главных клетках желудка в виде неактивного профермента пепсиногена, в котором активный центр "прикрыт" N-концевым фрагментом. При наличии соляной кислоты конформация пепсиногена изменяется таким образом, что "раскрывается" активный центр фермента, который отщепляет остаточный пептид (N-концевой фрагмент), блокирующий работу фермента, т.е. происходит аутокатализ. В результате образуется активный пепсин, активирующий и другие молекулы пепсиногена.
Оптимум рН для пепсина 1,5-2,0. Пепсин, не обладая высокой специфичностью, гидролизует пептидные связи, образованные аминогруппами ароматических аминокислот (тирозина, фенилаланина, триптофана), аминогруппами и карбоксигруппами лейцина, глутами-
новой кислоты и т.д.
biokhimija.ru |
Тимин О.А. Лекции по биологической химии |
99 |
|
|
|
ГАСТРИКСИН
Его оптимум рН соответствует 3,2-3,5. Наибольшее значение этот фермент имеет при питании молочно-растительной пищей, слабо стимулирующей выделение соляной кислоты и одновременно нейтрализующей ее в просвете желудка. Гастриксин является эндопептидазой и гидролизует связи, образованные карбоксильными группами дикарбоновых аминокислот.
ДВ Е Н А Д Ц А Т И П Е Р С Т Н А Я К И Ш К А И
ТО Н К И Й К И Ш Е Ч Н И К
Покинув желудок, пища подвергается действию панкреатического сока, кишечного сока и желчи.
Сок поджелудочной железы содержит проферменты – трипсиноген, химотрипсиноген, прокарбоксипептидазы, проэластазу. Проферменты в просвете кишечника активируются до трипсина, химотрипсина, карбоксипептидаз и эластазы, соответственно. Указанные ферменты осуществляют основную работу по перевариванию белков.
Вкишечном соке активны дипептидазы и аминопептидазы. Они заканчивают переваривание белков.
РЕ Г У Л Я Ц И Я К И Ш Е Ч Н О Г О П И Щ Е В А Р Е Н И Я
Втонком кишечнике под влиянием низкого рН начинается секреция гормона секрети-
на, который с током крови достигает поджелудочной железы и стимулирует выделение жидкой части панкреатического сока, богатого карбонат-ионами (HCO3–).
Также благодаря работе желудочных ферментов в химусе имеется некоторое количество аминокислот, вызывающих освобождение холецистокинина-панкреозимина. Он стимулирует секрецию другой, богатой проферментами, части поджелудочного сока, и секрецию желчи. В образовании желчи одновременно принимает участие секретин, стимулирующий продукцию бикарбонатов эпителием желчных протоков.
Вцелом нейтрализация кислого химуса в двенадцатиперстной кишке происходит при участии панкреатического сока и желчи. В результате его рН повышается до 7,0-7,5.
ТРИПСИН
Выделяемый в pancreas трипсиноген в двенадцатиперстной кишке подвергается частичному протеолизу под действием фермента энтеропептидазы, секретируемой клетками
Обмен аминокислот и белков |
100 |
|
|
кишечного эпителия. От профермента отделяется гексапептид (Вал-Асп-Асп-Асп-Асп-Лиз), что приводит к формированию активного центра трипсина.
Трипсин специфичен к пептидным связям, образованным с участием карбоксильных групп лизина и аргинина.
Трипсин может осуществлять аутокатализ, т.е. превращение последующих молекул трипсиногена в трипсин, также он активирует остальные протеолитические ферменты пан-
креатического сока – химотрипсиноген, проэластазу, прокарбоксипептидазу. Также трип-
син участвует в переваривании пищевых липидов, активируя фермент переваривания фосфолипидов – фосфолипазу А2, и колипазу фермента липазы, отвечающей за гидролиз триацилглицеролов.
ХИМОТРИПСИН
Образуется из химотрипсиногена при участии трипсина и промежуточных, уже активных, форм химотрипсина, которые выстригают два дипептида из цепи профермента. Три образованных фрагмента удерживаются друг с другом посредством дисульфидных связей.
Фермент специфичен к пептидным связям, образованным с участием карбоксильных групп фенилаланина, тирозина и триптофана.
ЭЛАСТАЗА
Активируется в просвете кишечника трипсином из проэластазы.
Гидролизует связи, образованные карбоксильными группами малых аминокислот ала-
нина, пролина, глицина.
КАРБОКСИПЕПТИДАЗЫ
Карбоксипептидазы являются экзопептидазами, т.е. гидролизуют пептидные связи с С-конца пептидной цепи. Различают два типа карбоксипептидаз – карбоксипептидазы А и карбоксипептидазы В. Карбоксипептидазы А отщепляют с С-конца остатки алифатических и ароматических аминокислот, карбоксипептидазы В – остатки лизина и аргинина.