Лекции по биохимии тверь,2012 1 модуль. Строение и свойства белков и ферментов Вводная лекция
 Скачать 0.64 Mb.
|
|
Первичные гиперлипидемии (наследственные) связаны с дефектами в генах. Среди них следует различать полигенную гиперхолестеринемию. Ее развитие обусловлено наличием аномалий в нескольких генах, несущих информацию о метаболизме холестерина. Наиболее подробно изучена гиперлипопротеинемия, обусловленная дисфункцией рецепторов и, прежде всего, недостаточностью рецепторов для ЛПНП. В составе этих липопротеиновых комплексов перемещается от одного органа к другому основная часть холестерина. Если число рецепторов ЛПНП на клетках снижается, то в плазме крови возрастает содержание ЛПНП и холестерина. Отмечено, что у гетерозиготных носителей аномального гена число рецепторов для ЛПНП может снижаться почти вдвое. Оказалось, что во столько же раз в плазме крови при этом возрастает содержание холестерина. В результате степень риска заболеть атеросклерозом и ИБС у таких людей возрастает в 10—50 раз. Когда же рецепторы к ЛПНП полностью отсутствуют (у гомозиготных и носителей аномального гена), содержание холестерина в плазме крови повышается еще больше. Такие больные, в связи с ранним развитием атеросклероза и ИБС, редко доживают до 20 лет. Вторичные гиперлипидемии — это, как правило, приобретенные изменения в обмене и содержании липидов. Они могут быть обусловлены алиментарными факторами, наличием ряда заболеваний и, прежде всего, могут быть результатом ожирения, злоупотребления алкоголем, наличия сахарного диабета, нефротического синдрома, гипотиреоза, панкреатита, печеночной недостаточности, закупорки желчных протоков и других причин. Ожирение - состояние, когда масса тела (за счет накопления жира в адипоцитах) превышает норму на 20%. Первичное ожирение может быть обусловлено генетическими, гормональными, метаболическими нарушениями, потреблением избытка калорий в питании, гиподинамией (пониженный уровень физической активности). Ген "ожирения" в адипоцитах стимулирует образование белка лептина, который регулирует потребление пищи и уровень жировой массы. Снижение уровня лептина, нарушение его структуры или снижение количества рецепторов к нему служат сигналом недостаточного количества жиров в организме, что приводит к возрастанию аппетита и увеличению массы тела. Вторичное ожирение - чаще всего результат эндокринного (гипотиреоз, гипогонадизм, синдром Иценко-Кушинга) и других заболеваний. Желчнокаменная болезнь - патологический процесс, при котором в желчном пузыре образуются камни, основу которых составляет холестерин. Затем он пропитывается билирубином, белками и солями кальция, формируя жесткие конгломераты. В норме гидрофобные молекулы холестерина удерживаются в растворе желчи благодаря наличию в ней желчных кислот и фосфолипидов (образуются мицеллы). У больных желчнокаменной болезнью повышены синтез и содержание холестерина, но снижены синтез и количество желчных кислот, т.е. нарушено в желчи соотношение холестерол/желчные кислоты. Холестерин начинает осаждаться в желчном пузыре, образуя вначале вязкий осадок, который постепенно становится более твердым. 5 модуль. Обмен белков Биологическая ценность белков в питании. Переваривание белков. Гниение белков Основные функции белков: структурная, сократительная, транспортная, гормональная, каталитическая, иммунная, рецепторная, гемостатическая и др. Некоторые особенности обмена белков: - ежедневно в организме взрослого человека распадается до аминокислот 200-400г функционально разных белков; - период полураспада белков длится: одних несколько секунд и минут, других - часы, дни, недели или даже месяцы; - в организме человека не могут синтезироваться 8 из 20 протеиногенных аминокислот; - единственным источником 8 незаменимых аминокислот и азота являются белки пищи; - в организме животных нет депо аминокислот и белков, они могут лишь перераспределяться между отдельными тканями; для сохранения в организме азотистого баланса белки в составе пищи должны поступать регулярно; - физиологический минимум белков в пище 30-40 г/сут., при условии оптимального поступления углеводов и липидов, при минимальной физической нагрузке; - конечными продуктами обмена белков являются высокотоксичные аммиак и мочевина. Азотистый баланс. Аминокислоты и белки содержат около 95% азота всего организма, конечные продукты распада белков – азотсодержащие соединения. Поэтому о состоянии белкового обмена можно судить по азотистому балансу. Азотистый баланс – разница между количеством азота поступающим с пищей, и количеством азота, выделяемого почками. Виды азотистого баланса. Азотистое равновесие (баланс азота, катаболизируемых и анаболизируемых белков и других азотсодержащих молекул) – характерно для здорового взрослого человека. Положительный азотистый баланс – азота поступает больше, чем выводится (дети, беременные). Отрицательный азотистый баланс – выделение азота преобладает над его поступлением (наблюдается при старении, голодании, во время тяжелых заболеваний, а также при безбелковой диете). Норма белка в питании. Взрослый человек при средней физической нагрузке должен получать 100-120 г полноценного белка в сутки. Биологическая ценность белка определяется его аминокислотным составом (высокое содержание незаменимых аминокислот в оптимальном соотношении) и высокой степенью усвоения. Физиологическая норма белка зависит от возраста, физической активности, условий окружающей среды, беременности, лактации, болезней и др. факторов, влияющих на потребность организма в белке. Безбелковое питание (особенно продолжительное) вызывает серьезные нарушения обмена и неизбежно заканчивается гибелью организма. Исключение из рациона даже одной незаменимой аминокислоты, ведет к неполному усвоению других аминокислот и сопровождается развитием отрицательного азотистого баланса, истощением, остановкой роста и нарушением функций нервной системы. Переваривание белков. При переваривании белков происходит гидролиз белков до свободных аминокислот. Переваривание начинается в желудке, а продолжается в тонкой кишке под действием ферментов протеиназ (пептидгидролаз). Ферменты обладают субстратной специфичностью, т.е. расщепляют пептидные связи образованные определёнными аминокислотами. Протеиназы, гидролизующие пептидные связи внутри белковой молекулы относятся к эндопептидазам, ферменты гидролизующие пептидную связь, образованную концевыми аминокислотами, относятся к экзопептидазам. Желудочные и панкреатичесие пептидазы вырабатываются в форме проферментов (неактивная форма), секретируются к месту действия и активируются путём частичного протеолиза (отщепление участка пептидной цепи с N конца молекулы профермента). Место синтеза профермента (слизистая оболочка желудка, поджелудочная железа) и место их активации (полость желудка, тонкой кошки) пространственно разделены. Такой механизм образования активных ферментов необходим для защиты секреторных клеток желудка и поджелудочной железы от самопереваривания. Переваривание белков в желудке. Основная пищеварительная функция желудка заключается в том, что в нем начинается переваривание белка. Белки, поступающие в желудок стимулируют выделение гистамина и белкового гормона гастрина, который в свою очередь вызывает секрецию НCl и профермента пепсиногена. НCl вырабатывается обкладочными клетками желудка и выполняет следующие функции: оказывает бактерицидное действие; денатурирует белки пищи; создает оптимум рН для пепсина (1,5-2,0); активирует пепсиноген путем частичного протеолиза; способствует всасыванию железа. Пепсин – эндопепсидаза, поэтому в результате его действия в желудке образуются более короткие пептиды, но не свободные аминокислоты. Переваривание белков в кишечнике. Желудочное содержимое (химус) поступает в двенадцатиперстную кишку. Низкое значение рН химуса вызывает в кишечнике выделение белкового гормона секретина, который стимулирует выделение из поджелудочной железы в тонкий кишечник панкреатического сока, содержащего НСО3-. В результате рН возрастает до 7,5-8,0. Секреция другого белкового гормона холецистокинина стимулирует выделение панкреатических проферментов. Активация панкреатических проферментов происходит в кишечнике. Кишечные пептидазы секретируются в энтероцитах сразу в активной форме. Под действием ферментов поджелудочной железы и клеток кишечника завершается переваривание белков. Биологический смысл переваривания белков заключается в потере ими видовой специфичности и образовании свободных аминокислот, поступающих в клетки слизистой оболочки кишечника путем активного транспорта за счет градиента концентрации натрия (симпорт), в результате фильтрации, диффузии и с помощью специфических транспортных систем. Максимальная концентрация аминокислот в крови достигается через 30-50 минут после приёма белковой пищи. Превращение негидролизованных олигопептидов и невсосавшихся отдельных аминокислот в кишечнике («гниение»). В процессе гниения, происходящего под действием ферментов микрофлоры кишечника, образуются ядовитые продукты распада аминокислот: фенол, индол, крезол, скатол, сероводород, путресцин, кадаверин. После всасывания эти продукты через воротную вену попадают в печень, где они подвергаются обезвреживанию путем связывания с серной или глюкуроновой кислотой с образованием нетоксичных парных кислот (фенолсерная кислота, скатолсерная кислота), которые выделяются с мочой. В печени содержатся специфические ферменты, участвующие в обезвреживании токсичных продуктов гниения. Фермент арилсульфотрансфераза катализирует перенос остатка серной кислоты из ее связанной формы фосфоаденозинфосфосульфата (ФАФС) на токсичный метаболит. Фермент глюкуронилтрансфераза переносит на токсичный метаболит остатки глюкуроновой кислоты из ее связанной формы – уридилдифосфоглюкуроновой кислоты (УДФГК). Таким образом, в печени обезвреживаются токсические вещества, образующиеся в результате катаболизма, поступающие в организм извне (ксенобиотики) или образующиеся в кишечнике в результате гниения. Общие пути катаболизма аминокислот. Токсичность и обезвреживание аммиака Общие пути катаболизма аминокислот в тканях. 1. Путь декарбоксилирования (-СО2) и образования БАА (биологически активных аминов). Некоторые аминокислоты (Три, Тир, Глу, Гис и др.) могут подвергаться декарбоксилированию. Реакции декарбоксилирования необратимы и катализируются ферментами декарбоксилазами. Простетическая группа декарбоксилаз – пиридоксальфосфат. Амины, образовавшиеся при декарбоксилировании аминокислот, часто являются БАА. Они выполняют функции нейромедиаторов (серотонин, дофамин, ГАМК), гормонов (норадреналин, адреналин), регуляторных факторов местного действия (гистамин, карнозин). Инактивация биологически активных аминов. Для осуществления биологической функции в нервных клетках требуется определенная концентрация БАА. Избыточное накопление их может вызвать различные патологические отклонения. Инактивация БАА происходит двумя путями: 1) Метилированием с участием SАМ (S –Аденозилметионин) под действием метилтрансфераз. Так инактивируются адреналин (метиладреналин), гистамин (метилгистамин). 2) Окислением ферментами моноаминооксидазами (МАО) с коферментом ФАД - таким путем инактивируются дофамин, норадреналин, серотонин, ГАМК. При этом происходит окислительное дезаминирование БАА с образованием альдегидов, а затем соответствующих кислот, которые выводятся почками. 2. Пути дезаминирования (-NН2) и трансаминирования. Катаболизм большинства аминокислот начинается с отщепления а-аминогруппы. Аминокислота теряет аминогруппу в результате двух типов реакций: трансаминирования и дезаминирования. Дезаминирование аминокислот: восстановительное, гидролитическое, внутримолекулярное, окислительное, неокислительное. При этом выделяется аммиак и образуется соответствующая кислота (предельная, гидрокси-, непредельная и кетокислота). Наиболее активно в тканях происходит окислительное дезаминирование глутаминовой кислоты. Реакцию катализирует фермент глутаматдегидрогеназа, коферментом которой является НАД. Реакция идет в два этапа. Вначале происходит ферментативное дегидрирование глутамата и образование а-иминоглутарата, затем - неферментативное гидролитическое отщепление иминогруппы в виде аммиака и образование α-кетоглутаровой кислоты. Трансаминирование - реакция переноса α-аминогруппы с аминокислоты на α-кетокислоту, без промежуточного выделения аммиака, в результате чего образуется новая α-кетокислота и новая (заменимая) аминокислота. Реакции катализируют ферменты аминотрансферазы, коферментом которых служит пиридоксальфосфат (ПФ) - производное витамина В6. Аминотрансферазы обладают субстратной специфичностью к разным аминокислотам. В тканях человека обнаружено более 10 различных аминотрансфераз. Наиболее распространенными ферментами являются аланинаминотрансфераза (АЛТ), по обратной реакции - глутамат-пируватаминотрансфераза (ГПТ) и аспартатаминотрансфераза (АСТ), по обратной реакции – глутамат-оксалоацетатаминотрансфераза (ГОТ). Высокая активность АЛТ в печени, АСТ - в миокарде, а в крови их активность очень низкая. Коэффициент де Ритса у здоровых лиц АСТ/АЛТ в плазме крови =1,33±0,42, при инфаркте миокарда резко возрастает, при гепатитах понижается до 0,6. Непрямое дезаминирование аминокислот (трансдезаминирование). Большинство аминокислот не способно к прямому дезаминированию (ФМН-зависимые оксидазы функционируют при рН =10) и подвергаются непрямому дезаминированию. Такой механизм протекает в две стадии: 1) Трансаминирование аминокислоты с α-кетоглутаровой кислотой (аминотрансферазы, ПФ), что приводит к образованию α-кетокислоты и глутамата. 2) Глутамат окислительно дезаминируется глутаматдегидрогеназой (НАД), что приводит к выделению аммиака и α-кетоглутаровой кислоты. Биологическая роль трансдезаминирования: обе стадии непрямого дезаминирования обратимы, что обеспечивает как катаболизм аминокислот, так и возможность синтеза практически любой аминокислоты из соответствующей α-кетокислоты. Обмен аммиака. Источники аммиака: трансдезаминирование аминокислот, дезаминирование биогенных аминов и нуклеотидов. Часть аммиака образуется в кишечнике в результате гниения белков. Концентрация аммиака в крови воротной вены выше, чем в общем кровотоке. В печени задерживается значительное количество аммиака, чтобы поддерживать низкое содержание его в крови (0,02-0,04 ммоль/л). Аммиак - токсичное соединение. Даже небольшое повышение его концентрации - гиперамонемия (0,6 ммоль/л) вызывает судороги. К симптомам гипераммониемии относятся: раздражение ЦНС, рвота, судороги, потеря сознания, кома, летальный исход. Механизм токсичности аммиака: - способствует развитию алколоза (рН >7), т.к. связывает Н+ с образованием NН4+; - способствует восстановительному аминированию α-кетокислот; из-за снижения а-кетокислот тормозятся реакции трансаминирования, ЦТК, подавляется дыхание, образование АТФ, что приводит к усилению синтеза кетоновых тел из ацетил-КоА в печени. - стимулирует синтез глутамина в нервной ткани (отек ЦНС) и снижается образование ГАМК. Механизм обезвреживания аммиака: основной реакцией связывания аммиака, протекающей во всех тканях организма, является синтез глутамина под действием глутаминазы с затратой АТФ. Глутамин (амид глутаминовой кислоты) легко транспортируется через клеточные мембраны и с током крови транспортируется в кишечник и почки. В почках происходит гидролиз глутамина под действием глутаминазы с образованием глутамата и аммиака. Этот процесс является одним из механизмов регуляции кислотно-щелочного равновесия и сохранения важнейших катионов Nа+ и К+. В почках образуется и выводится около 0,5 г солей аммония (сульфаты, хлориды) в сутки. В мозге и некоторых других органах может протекать восстановительное аминирование (реаминирование) и трансаминирование а-кетокислот. Этот механизм обезвреживает аммиак и, одновременно, является вариантом биосинтеза заменимых аминокислот и α-кетокислот, образованных при окислении глюкозы. Основной путь обезвреживания аммиака (80-85%) - биосинтез мочевины - протекает только в печени. Мочевина – основной конечный продукт, в составе которого из организма выводится избыток азота. Синтез мочевины в печени называется орнитиновым циклом. Орнитиновый цикл обеспечивает две функции: предотвращает накопление аммиака и приводит к синтезу заменимой аминокислоты аргинина. Молекула мочевины содержит два атома азота. Первый атом азота поступает в цикл в виде аммиака, второй атом азота вводится в мочевину из аспарагиновой кислоты. Источником аммиака являются реакции окислительного дезаминирования глутамата и аммиак, доставляемый в печень с кровью воротной вены. В митохондриях гепатоцитов под действием карбамоилфосфатсинтетазы-1 аммиак превращается в карбамоилфосфат, взаимодействует с орнитином и в виде цитруллина выносится в цитозоль. Далее происходит взаимодействие с аспартатом, образующийся аргининосукцинат распадается с образованием аргинина и фумарата под действием аргиназы аргинин образует мочевину и орнитин. Пополнение количества аспарагиновой кислоты происходит через взаимосвязь орнитинового цикла с ЦТК. Фумарат восстанавливается в малат, который окисляется НАД-зависимой дегидрогеназой с образованием оксалоацетата. Оксалоацетат трансаминируется и пополняет количество аспарагиновой кислоты. При регенерации аспартата из фумарата НАДН2 через ЦПЭ обеспечивает синтез 3 АТФ. За один оборот орнитинового цикла расходуются три АТФ (две - образование карбамоилфосфата, и одна при синтезе аргининосукцината), поэтому орнитиновый цикл сам обеспечивает себя энергией. Пути обмена безазотистого остатка аминокислот. Кето- и гликогенные аминокислоты. В результате катаболизма всех аминокислот образуются вещества, вступающие в общий путь катаболизма: пируват, ацетил-КоА, фумарат, оксалоацетат. Аминокислоты, которые превращаются в пируват и промежуточные продукты ЦТК (α-кетоглутарат, сукцинил-КоА, фумарат, оксалоацетат), могут превращаться в итоге в оксалоацетат и использоваться в процессе глюконеогенеза. Эти аминокислоты образуют группу гликогенных аминокислот (Ала, Асп, Глу, Сер, и др.). Кетогенные аминокислоты – Лиз, Лей, Три, Фен, Тир - в процессе катаболизма превращаются в ацетат или ацетил-КоА и могут быть источниками кетоновых тел. Ряд аминокислот (Три, Фен, Тир) используются и для синтеза глюкозы и для синтеза кетоновых тел, такие аминокислоты называются смешанными или гликокетогенными. Безазотистые остатки аминокислот используют и для восполнения метаболитов общего пути катаболизма (ОПК): ЦТК, глюконеогенез, синтез заменимых аминокислот или окисляются до СО2 и Н2О. Обмен отдельных аминокислот |