Зачет БХ ответы. 1. Основные биохимические процессы в миокарде Метаболизм и катаболизм. Цикл Кребса
 Скачать 1.55 Mb.
|
|
1. Основные биохимические процессы в миокарде 2. Метаболизм и катаболизм. Цикл Кребса В химических процессах обмена веществ выделяют внешний и промежуточный виды обмена. Внешний обмен - это внеклеточное превращение веществ на путях их поступления и выделения. Промежуточный обмен - это превращения веществ внутри клеток. Промежуточный обмен веществ иначе называют метаболизмом. Метаболизм - это совокупность всех химических реакций в клетке. Он выполняет три специализированные функции: 1. Энергетическая – снабжение клетки химической энергией, 2. Пластическая – синтез макромолекул как строительных блоков, 3. Специфическая – синтез и распад биомолекул, необходимых для выполнения специфических клеточных функций. Катаболизм проходит в 3 этапа: Цикл Кребса Цикл протекает в матриксе митохондрий и представляет собой окисление молекулы ацетил-SКоА в восьми последовательных реакциях. Цикл трикарбоновых кислот (Цикл Кребса или цикл лимонной кислоты) - центральный процесс метаболизма. Суть процесса состоит в том, что первоначально пировиноградная кислота соединяется со сложным органическим веществом — коэнзимом А. При этом сразу отщепляется СО2, образуется НАД • Н и комплекс СН3СО—5—коэнзим А (ацетил-коэнзим А). Этот комплекс реагирует со щавелево-уксусной кислотой с образованием кислоты лимонной. Коэнзим А освобождается, а лимонная кислота подвергается последовательным превращениям в цикле Кребса (8 реакций). При этом получается 2 молекулы СО2, восстанавливается молекула щавелево- уксусной кислоты, а выделяющаяся энергия запасается в виде АТФ. В пересчете на одну молекулу глюкозы энергетический выход цикла Кребса составляет 30 молекул АТФ. Таким образом, суммарный энергетический выход всего процесса дыхания составляет 38 молекул АТФ на одну молекулу глюкозы. Часть образующейся энергии выделяется в виде тепла (44,6%). Цикл Кребса идет только в присутствии необходимого количества кислорода 3. Анаэробные пути ресинтеза АТФ / креатинфосфорный, миокиназный, гликолитический Анаэробные пути ресинтеза АТФ являются дополнительными способами образования АТФ в мышечных волокнах в тех случаях, когда основной путь получения АТФ – тканевое дыхание не может обеспечить мышечную деятельность необходимым количество кислорода. Эти механизмы ресинтеза АТФ активно функционируют в начале выполнения физических упражнений, когда тканевое дыхание не полностью «развернулось», а также при физических нагрузках высокой мощности. Анаэробный ресинтез АТФ в мышечных волокнах возможен посредством нескольких механизмов: Креатинфосфатный ресинтез АТФ – ресинтез АТФ из креатинфосфата; Гликолитический ресинтез АТФ – ресинтез АТФ из гликогена мышц; Миокиназный (аденилаткиназный) ресинтез АТФ – ресинтез АТФ из АДФ при значительном накоплении в мышечных волокнах АДФ. Рассматривается как аварийный механизм, обеспечивающий ресинтез АТФ, когда другие пути ресинтеза АТФ невозможны. 4. Белки миокард, их свойства, роль в мышечном сокращении Саркоплазматические белки – составляют 35% белков мышечной ткани. Растворяются в солевых растворах с низкой ионной силой. К саркоплазматическим белкам относятся: А) белки-ферменты снтеза и распада гликогена, гликолиза, бета-окиисления ВЖК, цикла Кребса, тканевого дыхания и окислит. Фосфорилирования, синтеза и распада белков Б) миоглобин В) миоальбумины Миофибриллярные белки – составляют 45% белков мышечной ткани. Растворяются в солевых растворах с высокой ионной силой. К миофибриллярным белкам относятся: А) сократительные белки: миозин, актин Б) регуляторные белки: тропомиозин, тропонин, альфа и бета-актинины Роль в мышечном сокращении Белки - участвуют в сокращении мышечных волокон. Сократительная функция. В акте мышечного сокращения и расслабления участвует множество белковых веществ. Однако главную роль в этих жизненно важных процессах играют актин и миозин – специфические белки мышечной ткани. Сократительная функция присуща не только мышечным белкам, но и белкам цитоскелета, что обеспечивает тончайшие процессы жизнедеятельности клеток (расхождение хромосом в процессе митоза). 5. Химический состав поперечнополосатой мышцы 6. Небелковые азотистые экстрактивные вещества Небелковые азотистые экстрактивные вещества. В скелетных мышцах содержится ряд важных азотистых экстрактивных веществ: адениновые нуклеотиды, нуклеотиды неаденинового ряда, креатинфосфат, креатин, креатинин, карнозин, ансерин, свободные аминокислоты и др. На долю креатина и креатинфосфата приходится до 60% небелкового азота мышц. Креатинфосфат и креатин относятся к тем азотистым экстрактивным веществам мышц, которые участвуют в химических процессах, связанных с мышечным сокращением. К азотистым веществам мышечной ткани принадлежат имидазол-содержащие дипептиды карнозин и ансерин. Карнозин и ансерин – специфические азотистые вещества скелетной мускулатуры позвоночных. Они увеличивают амплитуду мышечного сокращения, предварительно сниженную утомлением. 7. Изменение химического состава мышечной ткани в онтогенезе Эмбриональная мышечная ткань по своему химическому составу значительно отличается. В мышцах эмбрионов больше воды, чем в функционально зрелой мускулатуре, т.е. общее содержание белка в мышечной ткани эмбрионов оказывается более низким. В функционально незрелой мышце: ниже содержание миофибриллярных белков (миозина и актомиозина) выше—белков стромы, миоальбумина, а также глобулинов. По мере развития плода: количество миофибриллярных белков увеличивается возрастает АТФазная активность в мышечных экстрактах. Для эмбриональной мышечной ткани характерно высокое содержание нуклеопротеинов, а также РНК и ДНК. По мере развития эмбриона количество нуклеопротеинов и нуклеиновых кислот в мышечной ткани быстро уменьшается. Высокоэнергетических соединений (АТФ и креатинфосфат) в функционально незрелой мышце значительно меньше. Имидазолсодержащие дипептиды (ансерин и карнозин) появляются в мышечной ткани в строго определенный период онтогенеза. Время появления этих дипептидов тесно связано с мышечной функцией и совпадает с формированием рефлекторной дуги, обеспечивающей возможность двигательного рефлекса, появлением Са2+-чувствительности актомиозина и началом работы ионных насосов. Имеются также характерные особенности в ферментных и изоферментных спектрах эмбриональной мышечной ткани. Так, установлено, что в ходе онтогенеза изменяется изоферментный спектр ЛДГ. В экстрактах из скелетных мышц 3—5-месячного эмбриона на долю изоферментов ЛДГ3 и ЛДГ2 приходится соответственно 40 и 31% от общей активности ЛДГ. В процессе эмбрионального развития в скелетной мускулатуре происходят: постепенное возрастание активности катодных снижение активности анодных изоферментов ЛДГ, В процессе развития плода изменяется также изоферментный спектр гексокиназы в мышечной ткани: повышается активность изофермента I снижается активность изофермента П. 8. Азотистые экстрактивные вещества Азотистые экстрактивные вещества — это карнозин, креатин, ансерин, пуриновые основания (гипоксантин) и др. Основное значение экстрактивных веществ заключается в их вкусовых свойствах и стимулирующем действии на секрецию пищеварительных желез. Креатин — азотсодержащая карбоновая кислота, которая встречается в организме позвоночных. Участвует в энергетическом обмене в мышечных и нервных клетках. Креатин был выделен в 1832 году Шеврёлем из скелетных мышц. Карнозин — дипептид, состоящий из остатков аминокислот β-аланина и гистидина. Ансерин, дипептид состоящий из аминокислот метилгистидина и β-аланина. Обнаружен в высоких концентрациях в мышцах и тканях мозга. Безазотистые экстрактивные вещества — гликоген, глюкоза, молочная кислота — содержатся в мясе в количестве около 1%. По своей активности они значительно уступают азотистым экстрактивным веществам. Пуриновые основания — органические природные соединения, производные пурина. К пуриновым основаниям относятся аденин, гуанин, которые входят в состав нуклеиновых кислот; продукт азотистого обмена — мочевая кислота; лекарственные вещества — кофеин, теобромин. Пуриновые основания играют важную роль в жизнедеятельности организмов. Пиримидиновые основания. Продукты, содержащие пуриновые основания. 9. Функциональная биохимия мышц Биохимические функции мышц осуществление мышечного сокращения и расслабления, регуляция этих процессов; энергетическое обеспечение мышечной деятельности; метаболизм, обеспечивающий осуществление биохимических функций мышц. Мыщцы составляют 40-45 % массы тела – единственная система, которая превращает химическую энергию в механическую. Красные скелетные мышцы – аэробы содержат много митохондрий и миоглобина, сокращаются медленно. Белые скелетные мышцы – анаэробные, содержат мало митохондрий и миоглобина, сокращаются быстро. Структурной единицей мышечной ткани является мышечная клетка (миоцит), в которой различают: ядра, сарколемму (белково-липидный слой); саркоплазму; пучки белков миофибрилл; опорные белки стромы (коллаген и эластин) Миозин — фибриллярный белок, один из главных компонентов сократительных волокон мышц — миофибрилл. Составляет 40—60 % общего количества мышечных белков. При соединении миозина с другим белком миофибрилл (актином) образуется актомиозин — основной структурный элемент сократительной системы мышц. саркоплазма имеет цистерны и поперечные трубочки Т системы, в которых находятся ионы кальция в составе белка кальсеквестрина, имеющего 40 центров связывания. Саркоплазма характеризуется наличием значительного числа ядер, митохондрий (ферменты ЦТК, ЦПЭ, бета-окисления ВЖК), полисом; в ней содержатся липиды, гликоген, миоглобин (переносит кислород к МТХ), ферменты гликолиза, азотосодержащие экстрактивные небелковые вещества 10. Некоторые особенности химического состава сердечной мышцы и полосатой мускулатуры Сердечная мышца по содержанию ряда химических соединений занимает промежуточное положение между скелетной мускулатурой и гладкими мышцами. Так, общее содержание белкового азота в скелетных мышцах кролика составляет 30–31 мг/г, а в гладкой мускулатуре (миометрий) – до 20,3 мг/г. В сердечной мышце и особенно в гладких мышцах значительно меньше миофибриллярных белков, чем в скелетной мышце. Общее содержание миофибриллярных белков в гладкой мышечной ткани желудка примерно в 2 раза ниже, чем в скелетных мышцах. Концентрация белков стромы в гладких мышцах и миокарде выше, чем в скелетной мускулатуре. Известно, что миозин, тропомиозин и тропонин сердечной мышцы и гладкой мускулатуры заметно отличаются по своим физико-химическим свойствам от соответствующих белков скелетной мускулатуры. Отмечены определенные особенности и во фракциях саркоплазматических белков. Саркоплазма гладкой мускулатуры и миокарда в процентном отношении содержит больше миоальбумина, чем саркоплазма скелетной мускулатуры. Содержание АТФ в сердечной мышце на 1 г ткани (2,60 мкмоль) ниже, чем в скелетной (4,43 мкмоль), и выше, чем в гладкой мускулатуре (1,38 мкмоль). По содержанию гликогена сердечная мышца также занимает промежуточное положение между скелетной и гладкой мускулатурой. По данным С.Е. Северина (1965), как в сердечной, так и в гладкой мускулатуре обнаруживаются лишь следы ансерина и карнозина (не более 0,1 г на 1 кг сырой массы). Имеется определенная зависимость между характером работы мышц и содержанием фосфоглицеридов. Миокард по сравнению с другими мышечными тканями богаче фосфоглицеридами, при окислении которых, по-видимому, вырабатывается значительная часть энергии, необходимой для его сокращения. 11. Цикл Кребса Цикл трикарбоновых кислот впервые был открыт английским биохимиком Г. Кребсом. Он первым постулировал значение данного цикла для полного сгорания пирувата, главным источником которого является гликолитическое превращение углеводов. В дальнейшем было показано, что цикл трикарбоновых кислот является тем центром, в котором сходятся практически все метаболические пути. Таким образом, цикл Кребса – общий конечный путь окисления ацетильных групп (в виде ацетил-КоА), в которые превращается в процессе катаболизма большая часть органических молекул, играющих роль «клеточного топлива»: углеводов, жирных кислот и аминокислот. Образовавшийся в результате окислительного декарбоксилирования пирувата в митохондриях ацетил-КоА вступает в цикл Кребса. Данный цикл происходит в матриксе митохондрий и состоит из восьми последовательных реакций (рис. 10.9). Начинается цикл с присоединения ацетил-КоА к оксалоацетату и образования лимонной кислоты (цитрата). Затем лимонная кислота (шестиуглеродное соединение) путем ряда дегидрирований (отнятие водорода) и двух декарбоксилирований (отщепление СО2) теряет два углеродных атома и снова в цикле Кребса превращается в оксалоацетат (четырехуглеродное соединение), т.е. в результате полного оборота цикла одна молекула ацетил-КоА сгорает до СО2 и Н2О, а молекула окса-лоацетата регенерируется. Первая реакция катализируется ферментом цит-рат- синтазой, при этом ацетильная группа ацетил-КоА конденсируется с оксалоацетатом, в результате чего образуется лимонная кислота. В результате второй реакции образовавшаяся лимонная кислота подвергается дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты, которая, присоединяя молекулу воды, переходит в изолимонную кислоту (изоцитрат). Катализирует эти обратимые реакции гидратации–дегидратации фермент аконитатгидратаза (аконитаза). В результате происходит взаимоперемещение Н и ОН в молекуле цитрата. В ходе изоцитратдегидрогеназной реакции изолимонная кислота одновременно декарбоксилируется. НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа является аллостерическим ферментом, которому в качестве специфического активатора необходим АДФ. Кроме того, фермент для проявления своей активности нуждается в ионах Mg2+или Мn2+. Во время четвертой реакции происходит окислительное декарбокси- лирование α-кетоглутаровой кислоты с образованием высокоэнергетического соединения сукцинил-КоА. Механизм этой реакции сходен с таковым реакции окислительного декарбоксилирования пирувата до ацетил-КоА, α- кетоглутаратдегидрогеназный комплекс напоминает по своей структуре пируватдегидрогеназный комплекс. Как в одном, так и в другом случае в реакции принимают участие 5 коферментов: ТПФ, амид липоевой кислоты, HS-KoA, ФАД и НАД+.В результате шестой реакции сукцинат дегидрируется в фумаровую кислоту. Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой, в молекуле которой с белком прочно (ковалентно) связан кофермент ФАД. В свою очередь сукцинатдегидрогеназа прочно связана с внутренней ми-тохондриальной мембраной. Наконец, в ходе восьмой реакции цикла трикарбоновых кислот под влиянием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы происходит окисление L-малата в оксалоацетат 12. Коллаген эластин и протеогликаны Коллаген - фибриллярный белок с вытянутой нитевидной формой молекул. По классификации он относится к простым белкам, однако является гликопротеином, так как содержит углеводные остатки, в основном галактозу. Молекулы коллагенов имеют общий принцип организации: суперспираль, полученная при скручивании трех полипептидных α – цепей, где отдельные цепи связаны водородными связями. Полипептидная α - цепь коллагена состоит из повторяющихся триплетов: [Гли-Х-Y], где Гли – глицин, Х и Y могут быть любымиаминокислотами, но чаще всего: Х –пролин или аланин Y - гидроксипролин или гидроксилизин. Коллаген содержит 33% глицина. Синтез коллагена включает несколько стадий, которые частично проходят внутри клетки (в фибробластах), а частично – во внеклеточном пространстве. Внутриклеточный этап включает 4 стадии: Трансляцию посттрансляционную модификацию образование проколлагена секрецию проколлагена во внутриклеточное пространство. По мере роста пептидных цепей на рибосомах они с помощью гидрофобного сигнального участка на N -конце проникают через мембрану в полость эндоплазматического ретикулума, где сигнальный пептид сразу отщепляется. Коллаген – медленно обменивающийся белок. Время его полужизни измеряется неделями или месяцами. Большинство тканевых протеаз, а также пищеварительные ферменты не гидролизуют нативный коллаген. Ключевую роль в его катаболизме играет специфический фермент – коллагеназа, который перерезает все три пептидные цепи молекулы изолейцина) примерно на одной четверти расстояния от С-конца. Образующиеся при этом фрагменты обладают растворимостью в воде и легко денатурируются, после чего их пептидные связи становятся доступными для гидролиза различными пептидгидролазами. Эластин является менее изученным фибриллярным белком, чем коллаген и представляет собой основной компонент эластических волокон соединительной ткани. Если способность коллагена к упругому растяжению невелика, то эластин является резиноподобным полимером. Он содержится в большом количестве в межклеточном матриксе тех тканей, которые испытывают периодические растяжения и сокращения, таких, например, как крупные кровеносные сосуды, связки, легкие. Так, в аорте эластин составляет 30-60% от массы вещества ткани, а в выйной связке его содержание доходит до 70-80%. Особенности первичной структуры эластина Эластин содержит в своем составе около 800 аминокислот и характеризуется таким же монотонным и однообразным аминокислотным составом, как коллаген. Он также содержит много остатков глицина и пролина, однако в отличие от коллагена в нем очень мало остатков гидроксипролина, отсутствует гидроксилизин и, наоборот, содержится необычно много валина и других гидрофобных аминокислот. Особенности вторичной структуры эластина Наличие большого количества гидрофобных радикалов в эластине препятствует созданию стабильной глобулы, в результате чего его полипептидные цепи не формируют регулярную вторичную и третичную структуры, а принимают в межклеточном веществе разные конформации. Эластин образует волокна и слои, в которых отдельные полипептидные цепи связаны жесткими поперечными сшивками в разветвленную цепь. В образовании этих сшивок участвуют 4 остатка лизина двух, трех или четырех полипептидных цепей, три из которых предварительно окисляются лизилоксидазой до альдегида. Образовавшаяся структура называется десмозином. Распад эластина осуществляется активной протеазой – эластазой. Эластаза содержится в панкреатическом соке и расщепляет эластин, содержащийся в пище, а также в нейтрофилах, которые выделяются во внеклеточное пространство, разрушают эластин и другие структурные белки. Особо важное значение активность эластазы имеет в легких, где эластин является главным компонентом легочной ткани, определяющим ее характерные свойства. Эластазу принято считать ответственной за патогенез обструктивных поражений легких, а также заболеваний, сопровождающихся снижением их эластичности. Разрушение эластина в альвеолярных стенках приводит к потере эластических свойств, разрушению альвеол и развитию эмфиземы легкого, Повышается активность эластазы за счет никотина табака при курении. Основным ингибитором эластазы на уровне альвеол и в интерстициальной ткани легких является α1-антитрипсин., который синтезируется помимо печени альвеолярными макрофагами и обеспечивает защиту легких Строение протеогликанов Основным протеогликаном хрящевого матрикса является агрекан, составляющий 10% веса ткани хряща и 25% сухого вещества. Он представляет собой одну полипептидную цепь («коровый» или сердцевидный белок), к которой присоединяются до 100 цепей хондроитинсульфатов и около 30 цепей кератансульфатов. При этом образуется соединение, напоминающее по форме бутылочный ёршик. В межклеточном матриксе молекулы агрекана (около 100 молекул) с помощью связывающего белка присоединяются к молекуле гиалуроновой кислоты, образуя комплексы в виде ствола с разветвленными ветвями или в виде «ёршика из ёршиков» На долю белка приходится 5-10% всей массы молекулы. Различные протеогликаны отличаются набором ГАГ, размером молекулы, относительным содержанием белка. - Являются структурными компонентами межклеточного матрикса. Выполняют рессорную функцию. Одноименные заряды и гидратация гликозаминогликанов, обусловленные большим количеством остатков серной кислоты в их составе, обеспечивают их взаимоотталкивание. Поэтому комплексы занимают максимально возможное пространство, их бы они были плотно уложены. При увеличении внешнего давления молекулы ГАГ сближаются, выжимая воду из межмолекулярных промежутков, однако после прекращения давления восстанавливается «распушенная» форма. Являются полианионами: могут присоединять катионы, большое количество воды, поддерживая тем самым тургор тканей и участвуя в водно-солевом обмене. Выполняют роль молекулярного сита в межклеточном матриксе, препятствуя распространению микроорганизмов и регулируя процессы диффузии; проницаемость матрикса повышается при разрушении гиалуроновой кислоты гиалуронидазой. За счет электростатических сил взаимодействуют с молекулами тропоколлагена, индуцируя процесс фибриллогенеза. Они переводят растворимый коллаген в нерастворимый, тогда как свободные гликозаминогликаны, не связанные со стержневым белком, действуют как ингибиторы фибриллогенеза. Участвуют в процессе межклеточного взаимодействия, в регуляции пролиферации, дифференцировки клеток и процессе морфогенеза. |