Биохимия. Полный набор лекций. Нейромедиаторов
 Скачать 18.11 Mb.
|
|
ГЕМОПРОТЕИНЫ. ОБМЕН ГЕМА Гемопротеины являются подвидом хромопротеинов и подразделяются на нефермента- тивные белки (гемоглобин, миоглобин) и ферменты (цитохромы, каталаза, пероксидаза. Небелковой частью их является гем – структура, включающая в себя порфириновое кольцо (состоящее из 4 пиррольных колец) и иона Fe 2+ . Железо связывается с порфириновым кольцом двумя координационными и двумя ковалентными связями. СТРОЕНИЕ И СИНТЕЗ ГЕМА Гем является небелковой частью гемопротеинов: гемоглобин (85% общего количества гема организма, локализованный в эритроцитах и клетках костного мозга, миоглобин скелетных мышц и миокарда (17%), цитохромы дыхательной цепи и P 450 , цитохромоксидаза, гомогентизатоксидаза, пероксидаза, миело- пероксидаза, каталаза, тиреопероксидаза и т.д. – менее. Синтез гема в основном идет в предшественниках эритроцитов, клетках печени, почек, слизистой кишечника, ив остальных тканях. Первая реакция синтеза с участием δ-аминолевулинат-синтазы (греч. "дельта) происходит в митохондриях. Следующая реакция при участии аминолевулинатдегидратазы протекает в цитозоле. Гемопротеины После синтеза порфобилиногена четыре его молекулы конденсируются в тетрапиррол. Различают два вида тетрапирролов – уропорфириноген типа I и уропорфириноген типа III. В синтезе обоих видов порфиринов принимает участие уропорфириноген I – синтаза, в образования уропорфириногена III дополнительно принимает участие фермент уропорфирино- ген III – косинтаза Далее уропорфириногены превращаются в соответствующие копропорфириногены. Копропорфириноген III переходит в протопорфириноген IX и далее в протопорфирин IX. Последний после связывания с железом образует гем, реакцию катализирует феррохелатаза (гемсинтаза). РЕГУЛЯЦИЯ СИНТЕЗА ГЕМА bСкорость синтеза глобиновых цепей зависит от наличия гема, он ускоряет биосинтез "своих" белков. Основным регуляторным ферментом синтеза гема является аминолевулинатсинтаза. Гем после взаимодействия с молекулой белка-репрессора формирует активный репрессор- ный комплекс, связывается с ДНК и подавляет транскрипцию, мРНК для фермента не образуется и синтез фермента прекращается. Также имеется отрицательный аллостерический эффект гема на фермент. С другой стороны, достаточное количество ионов железа оказывает положительный эффект при синтезе молекулы аминолевулинатсинтазы. В клетке имеется особый железос- вязывающий белок, который в отсутствии ионов железа обладает сродством к мРНК фермента и блокирует ее трансляцию в рибосоме, те. синтез белковой цепи. Ионы железа связываются с этим железосвязывающим белком, образуя с ним неактивный комплекс. www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии Положительным модулятором этого же фермента служит гипоксия тканей, которая в эритропоэтических тканях индуцирует синтез фермента. В печени повышение активности аминолевулинатсинтазы вызывают соединения, усиливающие работу микросомальной системы окисления (жирорастворимые токсины, стероиды при этом возрастает потребление гема для образования цитохрома Р, что снижает внутриклеточную концентрацию свободного гема. В результате происходит дерепрессия синтеза фермента. МИОГЛОБИН Миоглобин является одиночной полипептидной цепью, состоит из 153 аминокислот с молекулярной массой 17 кДа и по структуре сходен с цепью гемоглобина. Белок локализован в мышечной ткани. Миоглобин обладает более высоким сродством к кислороду по сравнению с гемоглобином. Это свойство обуславливает функцию миоглобина – депонирование кислорода в мышечной клетке и использование его только при значительном уменьшении парциального давления О в мышце (до 1-2 мм рт.ст). Кривые насыщения кислородом показывают отличия миоглобина и гемоглобина одно и тоже е насыщение достигается при совершенно разных концентрациях кислорода около 26 мм рт.ст. для гемоглобина и 5 мм рт.ст. для миоглобина, при физиологическом парциальном давлении кислорода от 26 до 40 мм рт.ст. гемоглобин насыщенна, тогда как миоглобин – почти на 100%. Таким образом, миоглобин остается оксигени- рованным до того момента, пока количество кислорода в клетке не снизится до предельных величин. Только после этого начинается отдача кислорода для реакций метаболизма. Гемопротеины ГЕМОГЛОБИН СТРОЕНИЕ ГЕМОГЛОБИНА bГемоглобин представляет собой белок, включающий 4 гемсодержащие белковые субъединицы. Протомеры соединяются друг с другом благодаря образованию гидрофобных, ионных, водородных связей. При этом они взаимодействуют непроизвольно, а определенным участком – контактной поверхностью. Этот процесс высокоспецифичен, контакт происходит одновременно в десятках точек по принципу комплементарности. Взаимодействие осуществляют разноименно заряженные группы, гидрофобные участки, неровности на поверхности белка. Белковые субъединицы в нормальном гемоглобине могут быть представлены различными типами полипептидных цепей α (альфа, β (бета, γ (гамма, δ (дельта, ξ (кси. В состав молекулы гемоглобина входят по две цепи двух разных типов. Гем соединяется с белковой субъединицей, во- первых , через остаток гистидина координационной связью железа, во-вторых, через гидрофобные связи пиррольных колец и гидрофобных аминокислот. Гем располагается как бы "в кармане" своей цепи и формируется гемсодержащий протомер. НОРМАЛЬНЫЕ И ПАТОЛОГИЧЕСКИЕ bbФ О Р МЫ ГЕМОГЛОБИНА bibНормальные формы Существует несколько нормальных вариантов гемоглобина Р – примитивный гемоглобин, содержит 2 ξ- и цепи, встречается в эмбрионе между 7-12 неделями жизни, o HbF – фетальный гемоглобин, содержит 2α- и цепи, появляется через 12 недель внутриутробного развития и является основным после 3 месяцев, o HbA – гемоглобин взрослых, доля составляет 98%, содержит 2α- и цепи, у плода появляется через 3 месяца жизни и к рождению составляет 80% всего гемоглобина, o HbA 2 – гемоглобин взрослых, доля составляет 2%, содержит 2α- и цепи, o HbO 2 – оксигемоглобин, образуется при связывании кислорода в легких, в легочных венах его 94-98% от всего количества гемоглобина, o HbCO 2 – карбогемоглобин, образуется при связывании углекислого газа в тканях, в венозной крови составляет 15-20% от всего количества гемоглобина. Патологические формы HbS – гемоглобин серповидноклеточной анемии. При этом нарушении в ДНК в результате точковой мутации триплет ЦТТ заменен на триплет ЦАТ, что влечет за собой включение в м положении цепи вместо глутамата аминокислоты валина. Изменение свойств цепи влечет изменение свойств всей молекулы и формирование на поверхности гемоглобина "липкого" участка. При дезоксигенации гемоглобина участок "раскрывается" и связывает одну молекулу гемоглобина S с другими подобными. Результатом является полимеризация гемоглобиновых молекул и образование крупных белковых тяжей, вызывающих деформацию эритроцита и при прохождении капилляров гемолиз. www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии 311 MetHb – метгемоглобин, форма гемоглобина, включающая трехвалентный ион железа вместо двухвалентного. Такая форма обычно образуется спонтанно, в этом случае ферментативных мощностей клетки хватает на его восстановление. При использовании сульфаниламидов, употреблении нитрита натрия и нитратов пищевых продуктов, при недостаточности аскорбиновой кислоты ускоряется переход Fe 2+ в Fe 3+ . Образующийся metHb неспособен связывать кислород и возникает гипоксия тканей. Для восстановления ионов железа в клинике используют аскорбиновую кислоту и метиленовую синь. Hb-CO – карбоксигемоглобин, образуется при наличии СО (угарный газ) во вдыхаемом воздухе. Он постоянно присутствует в крови в малых концентрациях, но его доля может колебаться от условий и образа жизни. С – гликозилированный гемоглобин. Концентрация его нарастает при хронической гипергликемии и является хорошим скрининговым показателем уровня глюкозы крови за длительный период времени. РЕГУЛЯЦИЯ ПРИСОЕДИНЕНИЯ КИСЛОРОДА bbК ГЕМОГЛОБИНУ bibИзменение рН среды Влияние рН на сродство гемоглобина к кислороду носит название эффекта Бора. При закислении среды сродство снижается, при защелачивании – повышается. При повышении концентрации протонов (закисление среды) в тканях возрастает освобождение кислорода из оксигемоглобина, в легких после удаления угольной кислоты (в виде СО) из крови и одновременном увеличении концентрации кислорода высвобождаются ионы Низ гемоглобина. Реакция взаимодействия кислорода с гемоглобином упрощенно имеет вид H-Hb + O 2 HbO 2 + H + Гемопротеины Изменение сродства гемоглобина к кислороду в тканях ив легких при изменении концентрации ионов H + и О обусловлено конформационными перестройками глобиновой части молекулы. В тканях ионы водорода присоединяются к остаткам гистидина, образуя восстановленный гемоглобин (H-Hb) с низким сродством к кислороду. В легких поступающий кислород "вытесняет" ион водорода из связи с остатком гистидина гемоглобиновой молекулы. Кооперативное взаимодействие Взаимовлияние протомеров олигомерного белка друг на друга называется кооперативное взаимодействие В легких такое взаимодействие субъединиц гемоглобина повышает его сродство к кислороду и ускоряет присоединение кислорода враз. В тканях идет обратный процесс, сродство снижается и ускорение отдачи кислорода также кратное. Объясняется такой феномен тем, что в легкихпри присоединении первой молекулы кислорода к железу (за счет й координационной связи) атом железа втягивается в плоскость гема, кислород остается вне плоскости. Это вызывает перемещение участка белковой цепи и изменение конформации первого протомера. Такой измененный протомер влияет на другие субъединицы и облегчает связывание кислорода со второй субъединицей. Это меняет конформацию второй субъединицы, облегчая присоединение последующих молекул кислорода и изменение других протомеров. www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии Роль 2,3-дифосфоглицерата 2,3-Дифосфоглицерат образуется в эритроцитах из 1,3-дифосфоглицерата, промежуточного метаболита гликолиза, в реакциях, получивших название шунт Раппопорта. При снижении концентрации кислорода в эритроцитах повышается содержание 2,3-дифосфоглицерата. Он располагается в центральной полости тетрамера дезоксигемогло- бина и связывается с цепями, образуя поперечный солевой мостик между атомами кислорода 2,3-дифосфоглицерата и аминогруппами концевого валина обеих цепей, аминогруппами радикалов лизина и гистидина. Функция 2,3-дифосфоглицерата заключается в снижении сродства гемоглобина к кислороду. Это имеет особенное значение при подъеме на высоту, при нехватке кислорода во вдыхаемом воздухе. В этих условиях связывание кислорода с гемоглобином в легких не нарушается, так как концентрация его относительно высока. Однако в тканях за счет 2,3-дифосфоглицерата отдача кислорода возрастает в 2 раза. Гемопротеины НАРУШЕНИЕ СИНТЕЗА ГЕМОГЛОБИНА – это группа гетерогенных наследственных заболеваний, возникающих в результате нарушения синтеза гема и повышения содержания порфиринов и их предшественников в организме. Выделяют наследственные и приобретенные формы порфирии. Приобретенные формы порфирий носят токсический характер и вызываются действием гексахлорбензола, солей свинца и других тяжелых металлов (ингибирование порфобили- ногенсинтазы, феррохелатазы и др, лекарственными препаратами (антигрибковый антибиотик гризеофульфин). При наследственных формах дефект фермента имеется во всех клетках организма, но проявляется только водном типе клеток. Можно выделить две большие группы порфирий: 1. Печеночные – группа заболеваний с аутосомно-доминантными нарушениями ферментов различных этапов синтеза протопорфирина IX. Наиболее ярким заболеванием этой группы является перемежающаяся острая порфирия, при которой у гетерозигот активность уропорфириноген-I-синтазы снижена на 50%. Заболевание проявляется после достижения половой зрелости из-за повышенной потребности гепатоцитов в цитохроме Р для обезвреживания половых стероидов, обострение состояния также часто бывает после приема лекарственных препаратов, метаболизм которых требует участия цитохрома Р. Потребление и снижение концентрации гема, необходимого для синтеза цитохрома Р, активирует аминолевулинатсинтазу. В результате больные экс- кретируют с мочой большие количества порфобилиногена и аминолевулиновой кислоты. На свету порфириноген окисляется в окрашенные порфобилин и порфирин, и это является причиной потемнения мочи при ее стоянии на свету при доступе воздуха. Симптомами являются острые боли в животе, запоры, сердечно-сосудистые нарушения, нервно-психические расстройства. Эритропоэтические – аутосомно-рецессивные нарушения некоторых ферментов синтеза протопорфирина IX в эритроидных клетках. При этом смещается баланс реакций образования уропорфириногенов в сторону синтеза уропорфириногена I. Симптомы заболевания схожи с предыдущим, но дополнительно наблюдается светочувствительность кожи, обусловленная наличием уропорфириногенов, кроме этого отмечаются трещины на коже и гемолитические явления. Т АЛАССЕМИИ Для талассемий характерно снижение синтеза цепей гемоглобина (талассемия) или цепей (талассемия. Это приводит к нарушению эритропоэза, гемолизу и тяжелым ане- миям. ДЫХАТЕЛЬНАЯ ФУНКЦИЯ КРОВИ В тканях диффундирующий в кровь из клеток СО большей частью (около 90%) попадает в эритроциты. Движущей силой этого процесса является быстрая, постоянно идущая реакция превращения его в угольную кислоту при участии фермента карбоангидразы. Угольная кислота диссоциирует и подкисляет содержимое эритроцита, что улучшает отдачу оксигемоглобином кислорода (см ниже "Эффект Бора. www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии Одновременно с концевыми NH 2 -группами β-цепей гемоглобина связывается 10-12% карбонат-иона с образованием карбаминогемоглобина (H-HbCO 2 ). Hb-NH 2 + CO 2 → Hb-NH-COO – + Остальные бикарбонаты выходят в плазму крови в обмен на ионы хлора (гипохлореми- ческий сдвиг. В легочных капиллярах имеется относительно низкая концентрация углекислого газа в альвеолярном воздухе поэтому происходит высокоэффективная диффузия СО из плазмы через альвеолярные мембраны и его удаление с выдыхаемым воздухом, уменьшение концентрации СО в плазме стимулирует его образование в карбоангид- разной реакции внутри эритроцита и снижает здесь концентрацию иона HCO 3 – , Гемопротеины 316 o одновременно высокая концентрация кислорода вытесняет СО из комплекса с гемоглобином с образованием оксигемоглобина – более сильной кислоты, чем угольная, диссоциирующие от оксигемоглобина ионы Н нейтрализуют поступающий извне ион HCO 3 – с образованием угольной кислоты. После карбоангидразной реакции образуется СО, который выводится наружу. КАТАБОЛИЗМ ГЕМА За сутки у человека распадается около 9 г гемопротеинов, в основном это гемоглобин эритроцитов. Эритроциты живут 90-120 дней, после чего лизируются в кровеносном русле или в селезенке. При разрушении эритроцитов в кровяном русле высвобождаемый гемоглобин образует комплекс с белком-переносчиком гаптоглобином (фракция глобулинов крови) и переносится в клетки ретикуло-эндотелиальной системы селезенки (главным образом, печении костного мозга. В клетках РЭС гем в составе гемоглобина окисляется молекулярным кислородом. В реакциях последовательно происходит разрыв метинового мостика между мим пиррольными кольцами гема сих восстановлением, отщеплением железа и белковой части и образованием оранжевого пигмента билирубина. Билирубин – токсичное, жирорастворимое вещество, способное нарушать окислительное фосфорилирование в клетках. Особенно чувствительны к нему клетки нервной ткани. Из клеток ретикуло-эндотелиальной системы билирубин попадает в кровь. Здесь он находится в комплексе с альбумином плазмы, в гораздо меньшем количестве – в комплексах с металлами, аминокислотами, пептидами и другими малыми молекулами. Образование таких комплексов не позволяет выделяться билирубину с мочой. Билирубин в комплексе с альбумином называется свободный (неконъюгированный) или непрямой билирубин. www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии Из сосудистого русла в гепатоциты билирубин попадает с помощью белка-переносчика (лигандина). В клетке протекает реакция связывания билирубина с УДФ-глюкуроновой кислотой (УДФГК), при этом образуются моно- и диглюкурониды. Кроме глюкуроновой кислоты, в реакцию могут вступать сульфаты, фосфаты, глюкозиды. Билирубин-глюкуронид получил название связанный (конъюгированный) или прямой билирубин. После образования билирубин-глюкурониды АТФ-зависимым переносчиком секре- тируются в желчные протоки и далее в кишечник, где при участии бактериальной β-глюкуронидазы превращаются в свободный билирубин Одновременно некоторое количество билирубин-глюкуронидов может попадать из желчи в кровь по межклеточным щелям. Таким образом, в крови в норме одновременно существуют две формы билирубина свободный, попадающий сюда из клеток РЭС (около 80% всего количества, и связанный, попадающий из желчных протоков (до 20%). В кишечнике билирубин подвергается восстановлению под действием микрофлоры до мезобилирубина и мезобилиногена (уробилиногена). Часть последних всасывается истоком крови вновь попадает в печень, где окисляется до ди- и трипирролов. При этом в здоро- Гемопротеины 318 вом организме в общий круг кровообращения ив мочу мезобилирубин и уробилиноген не попадают, а полностью задерживаются гепатоцитами. Оставшаяся в кишечнике часть пигментов ферментами бактериальной флоры толстого кишечника восстанавливается до стер- кобилиногена и выделяется из организма, окрашивая кал. Незначительное количество стер- кобилиногена через геморроидальные вены попадает в большой круг кровообращения, отсюда в почки и выделяется с мочой. На воздухе стеркобилиноген и уробилиноген превращаются, соответственно, в |