Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 171
Комплексний навчальний посібник: лекційний курс
|
|
|
C |
|
B |
|
A |
|
O |
|
p |
|
R |
|
Оперон |
|
інтрон |
|
інтрон |
|
інтрон |
|
інтрон |
|
екзони |
Вступ
З історії розвитку біохімії
Біологічна хімія, або біохімія, – це наука про хімічний склад живих організмів і хімічні процеси, що забезпечують їх існування. Слово „біохімія” походить від двох грецьких слів: bios – життя і chemia – наука про склад, внутрішню будову, властивості і взаємні перетворення речовин. Таким чином, можна сказати, що біохімія – це наука про хімію життя, про хімічні явища, що протікають в живій природі.
Залежно від об'єкту вивчення розрізняють біохімію людини (медичну біохімію), тварин, рослин, мікробів і вірусів. За напрямом вивчення організмів біохімію ділять на статичну (про хімічну природу і властивості речовин, що входять в досліджуваний об'єкт), динамічну (перетворення речовин від моменту надходження в організм і закінчуючи виділенням кінцевих продуктів обміну) і функціональну (про хімічні основи фізіологічної діяльності організму в цілому, органу, тканини, клітини і інтрацелюлярних структур). Зрозуміло, що такий розподіл умовний, оскільки при біохімічному дослідженні важко розмежувати ці три напрями, які доповнюють один одного. Проте в результаті можна отримати різносторонню характеристику об'єкту.
Багато закономірностей, які встановлені біохімічними методами, є загальними для всіх живих організмів, тому вони вивчаються в загальній біохімії. Біохімічні особливості окремих систем, органів, тканин і клітин розглядаються спеціальною біохімією.
Результати багатьох біохімічних досліджень мають прикладне значення. Так, в самостійну галузь була виділена клінічна біохімія. За допомогою її методів уточнюється і ставиться діагноз, призначається і контролюється лікування, намічаються і проводяться заходи щодо профілактики різних хвороб людини і тварин. Велике народногосподарське значення має технічна біохімія – теоретична основа виробництва багатьох видів харчової промисловості (хлібопечення, консервації плодів, овочів, продуктів тваринництва, виноробства, чаю та ін.), отримання лікарських речовин, кормових добавок для тваринництва, ряду органічних сполук (етанолу, лимонної і молочної кислот і т. д.).
Останніми роками розвиваються нові напрями біохімії, зокрема еволюційна біохімія, яка вивчає питання походження життя на Землі і шляхи ускладнення обміну речовин в процесі розвитку органічного світу. Особливої уваги заслуговує радіаційна біохімія, що розглядає зміни хімічного складу організмів і обміну речовин в них під впливом радіації та розробляє методи біохімічного захисту від радіації, а також шляхи виведення нових високоврожайних сортів культурних рослин і видів корисних мікроорганізмів під впливом іонізуючого випромінювання. Інтенсивно розвивається космічна біохімія, яка досліджує біохімічні проблеми, пов'язані з освоєнням космічного простору.
Розвиток біохімії нерозривно пов'язаний з іншими суміжними теоретичними дисциплінами – загальною біологією, гістологією, цитологією, генетикою, фізикою, біофізикою, неорганічною, аналітичною, органічною, фізичною, колоїдною і біофізичною хіміями, молекулярною біологією і фізіологією. Знання, отримані при вивченні біохімії, служать теоретичною базою для освоєння прикладних наук – годування і розведення сільськогосподарських тварин, зоогігієни, скотарства, патологічної фізіології, фармакології, технологічних та всіх клінічних дисциплін.
Формування біохімії як науки у XVI–XIX ст. Перші біохімічні відомості відомі людині з глибокої старовини. Людина знала і використовувала біохімічні процеси в хлібопеченні, виготовленні вин, лікарських засобів, дубленні шкір, оцту та ін. Проте ці знання були емпіричними.
Велика кількість даних, які надалі зіграли важливу роль при формуванні біохімії як науки, накопичено в епоху Відродження. Геніальний учений і художник Леонардо да Вінчі (1452 – 1519) встановлює, що всі життєві процеси протікають за наявності кисню. В цей час розвивається новий напрямок, який називається ятрохімією. Основоположником ятрохімії був Ф. Парацельс (1493 – 1541). Ятрохіміки почали розглядати хворобу як наслідок порушення в організмі людини і тварин обміну речовин. Вони ввели в лікувальну практику препарати сурми, ртуті, заліза та ін. Я.Б. ван Гельмонт (1579 – 1644) встановив, що в утворенні сухої речовини рослини беруть участь елементи води. Він вперше отримав в чистому вигляді вуглекислий газ, описав процеси травлення, сечовиділення, визначив густину сечі при різних хворобах людини і прийшов до висновку, що хвороба це перш за все порушення хімічної рівноваги між організмом і зовнішнім середовищем.
Проте уявлення ятрохіміків про складні процеси, що протікають в живому організмі, нерідко були наївні і навіть шкідливі. Так, Ф. Парацельс стверджував, що організм складається з трьох речовин – ртуть, сірки і солі, які знаходяться між собою в певних кількісних співвідношеннях. Наприклад, тоді вважали, що виразка і лихоманка виникають від надлишку в організмі сірки, понос і водянка – від надлишку солі, параліч і меланхолія – від надлишку ртуті.
Історія біохімії – це історія боротьби двох світоглядів; матеріалістичного і ідеалістичного. На самому початку свого розвитку біохімія зіткнулася з помилковою хімічною теорією флогістону – „вогненної матерії” з негативною масою, яка міститься у всіх горючих речовинах. Першим ученим, що заклав основи матеріалістичних поглядів на існування живої матерії, був M.В. Ломоносов (1711 – 1765), який довів, що ніякого флогістона в природі немає і бути не може. Ним був відкритий загальний закон природи про збереження матерії і руху. Висновки M.В. Ломоносова незабаром підтверджує А.Л. Лавуазье (1743 – 1794). В ці роки вивчається хімічний склад повітря і води. Створюються уявлення про процеси дихання живих організмів як повільному горінні.
Формуються основи теорії фотосинтезу. Д. Прістлі (1733 – 1804) і К. Шеєле (1742 – 1786) встановлюють, що CO2, NH3 і O2 пов'язані з процесами, які забезпечують існування рослин. Виявилося, що рослини поглинають з повітря CO2 і виділяють O2. Я. Інгенхауз приходить до висновку, що ці реакції здійснюються тільки в зелених частинах рослин на сонячному світлу. Ж. Сенебье (1742 – 1809) встановлює, що CO2 використовується рослинами як сировина для синтезу органічних речовин. Вивчається круговорот речовин в природі і закономірності азотного обміну (Ж.Б. Буссенго, 1802 – 1887). Ю. Лібіх (1803 – 1873) створює теорію мінерального живлення рослин.
Розробляються нові методи хімічного аналізу. Великі заслуги в цьому належать Ю. Лібіху, який пропагував застосування результатів хімічних досліджень в медицині, тваринництві і рослинництві. Він удосконалює методику визначення водню і вуглецю в органічних сполуках, з'ясовує елементарний склад багатьох харчових речовин, які надалі стали називати білками, ліпідами і вуглеводами. В цей же час розробляються методи визначення азоту в білках. За вмістом азоту в сечі починають судити про стан білкового обміну в організмі клінічно здорової або хворої людини. Хімічні методи використовуються при вивченні хімії живих істот.
До першої четверті XIX ст. біохімія входила в загальну хімію. Після виникнення органічної хімії вона злилася з нею, утворюючи основу майбутнього статичного і динамічного напряму в біохімії. В цей час К. Шеєле з природних продуктів виділяє гліцерин, лимонну, молочну, яблучну, щавлеву і сечову кислоти. І. Руель в сечі людини відкриває сечовину, Ю. Лібіх – гіпурову і А. Маркграф – фосфорну кислоти. В тонких зрізах коренів цукрового буряка А. Маргграф виявляє сахарозу. У складі жовчі виявляється холестерин, рослинних соків – глюкоза і фруктоза. В 1822 р. Л. Гмелін у своїй книзі „Керівництво по теоретичній хімії” приводить перші 80 органічних сполук.
Всі ці факти сприяють затвердженню матеріалістичного уявлення про будову живої матерії і реакції обміну речовин. В кінці XVIII і на початку XIX ст. біохімія, що розвивається, зіткнулася з ідеалістичною теорією в біології – теорією віталізму (лат. vita – життя). Віталізм стверджував, що між живою і неорганічною матерією існує різка грань, що органічні речовини синтезуються в організмі під впливом так званої „життєвої сили”.
Нищівний удар по віталізму наніс Ф. Велер (1800 – 1882), який синтезував в 1828 р. з ціаніду амонія сечовину.
Незабаром були синтезовані інші органічні сполуки – хлороформ (Ю. Лібіх, 1831), анілін (М.М. Зінін, 1842), оцтова кислота (А. Кольбе, 1845), жир (M. Бертло, 1854), моносахариди (О.M. Бутлеров, 1861) і т.д. Органічна хімія стає синтетичною. Зусилля хіміків-органіків спрямовані на отримання нових органічних речовин, необхідних промисловості, медицині, побуту. Геніальний російський учений О.M. Бутлеров (1828 – 1886) створює теорію будови органічних речовин – основу подальшого розвитку органічної хімії. До кінця XIX ст. було вивчено і зареєстровано близько 100 000 різних органічних речовин. Тепер в задачі органічної хімії не входило дослідження хімічного складу живих об'єктів, тим більше реакцій обміну речовини.
Відомості про будову живої матерії і хімізм реакцій обміну речовин у першій половині XIX ст. носили випадковий характер. Вони були отримані фізіологами, хіміками, технологами, лікарями, морфологами, які в своїй практичній діяльності стикалися з тим або іншим питанням і вивчали його, вносячи, таким чином, внесок в розвиток біохімії.
До 50-х років XIX ст. в біохімії склався комплекс різних методів, розроблених M.В. Ломоносовим, Д. Прістлі, К. Шеєле, А.Л. Лавуазье Д. Дальтоном, Ж.Л. Гей-Люссаком, І. Берцеліусом, Ю. Лібіхом та ін. При поясненні багатьох біохімічних реакцій використовуються фізичні і хімічні закони. Н.Т. Соссюр (1767 – 1845) проводить розрахунок стехіометрії обміну газів у рослинах в процесі фотосинтезу. Ю.Р. Майер (1814 – 1878) формулює перший закон термодинаміки і встановлює його застосовність до живих систем. В ці роки біохімія входить у фізіологію, оскільки біохімічні дослідження пов'язані з фізіологічними (при вивченні хімічної природи окремих функцій живих організмів).
В науці нагромадилася велика кількість відомостей про хімічну природу речовин, з яких складається жива матерія. Ю. Лібіх характеризує основні речовини тканин живих організмів – білки, ліпіди, вуглеводи (1839 р.). M. Шеврель (1786 – 1889) досліджує будову і властивості жирів (1823 р.). Були отримані перші відомості про перетворення цих речовин в процесах асиміляції і дисиміляції. Встановлено багато проміжних і кінцевих продуктів обміну речовин. І. Берцеліус (1779 – 1848) створює основи вчення про каталіз, дає характеристику відомим у той час ферментам і пояснює природу реакцій бродіння.
Роботи хіміків-органіків по синтезу органічних речовин зруйнували раніше існуючу в уявленнях учених грань між живим і неживим. Формуються матеріалістичні погляди на процеси обміну речовин в живих організмах, особливо на біосинтез органічних речовин з неорганічних в реакціях фотосинтезу. К. Бернар (1813 – 1878) виділяє з тканин печінки глікоген, експериментально доводить його розщеплення до глюкози, яка, поступаючи в кровоток, служить джерелом хімічної енергії в організмі. Ним же висувається діалектична теза: стабільність внутрішнього середовища є умовою свободи і незалежності існування організму. Окремі речовини, виявлені в біологічних рідинах організму людини і тварин (шлунковому сокові, жовчі, крові, сечі), зацікавили клініцистів, оскільки відомості про них (якісні і кількісні) стали допомагати лікарям діагностувати хвороби, призначати і контролювати лікування. Біохімія завоювала право на своє існування як самостійна дисципліна. Створюються перші підручники по біохімії (І. Зимон, Ю. Лібіх, А.І. Ходнев).
Формування і розвиток сучасних напрямів біохімії. Після виходу у світ перших підручників по біохімії (1842 – 1846) вона інтенсивно розвивається як наука на всіх напрямках. Детально вивчається хімічний склад живої матерії на рівні організму, органу, тканин і клітин. У зв'язку з інтенсивним розвитком науки і техніки розробляються нові методи біохімічного аналізу. Детально досліджуються закономірності реакцій асиміляції і дисиміляції в живому організмі за самих різних умов. Біохімія відділяється від фізіології і диференціюється на окремі напрями залежно від об'єкту і мети дослідження. Результати біохімічних досліджень широко впроваджуються в технологію, медицину, ветеринарію і тваринництво.
Особливо бурхливо біохімія розвивається в Росії. Зміст, напрям і глибина біохімічних досліджень, виконаних в другій половині XIX ст., визначалися впливом робіт Д.І. Менделєєва, О.М. Бутлерова, І.M. Сеченова, І.П. Павлова, К.А. Тімірязева.
Основоположником вітчизняної біохімії слід вважати О.Я. Данилевського (1838 – 1923), який створив першу в Росії велику фізіолого-хімічну школу. Вона провела ряд фундаментальних досліджень, актуальність яких не втратила значення і в наші дні. Були детально вивчені склад, будова і властивості багатьох білків тканин людини і тварин. Були створені основи поліпептидної теорії будови білкової молекули. Був здійснений ферментативний синтез білковоподібних речовин. Був розроблений метод отримання і очищення ферментів соку підшлункової залози адсорбцією і елюцією, що дозволило виділити амілазу і трипсин у чистому вигляді. О.Я. Данилевський припустив існування антиферментів і ввів поняття про протоплазму як про складну фізико-хімічну систему живої клітини.
Були досягнуті значні успіхи в розвитку динамічної біохімії. На її розвиток величезний вплив мали роботи І.M. Семенова. (1829 – 1905) – засновника російської фізіологічної школи. Ним і його школою детально була вивчена фізіологія і хімія дихання, вплив на ці процеси складу їжі, функціонального стану організму, навколишньої температури та інших чинників. Великий фізіолог вважав задачею хіміків усестороннє вивчення обміну речовин, починаючи з моменту надходження окремих сполук в організм і закінчуючи виділенням кінцевих продуктів. Подальший розвиток біохімії в Росії був пов'язаний з роботами найбільшого вітчизняного ученого-фізіолога І.П. Павлова (1849 – 1936). У його лабораторії був детально вивчений склад травних соків, проведений комплекс досліджень по травленню, що дало можливість прослідити процеси ферментативного розщеплення харчових мас до простих складових частин (амінокислот, моносахаридів, гліцерину, жирних кислот, мінеральних сполук). Були досліджені різні аспекти всмоктування харчових продуктів, встановлена нейрогуморальна регуляція реакцій обміну речовин і роль зовнішнього середовища в цих процесах, відкриті нові ферменти (ентерокіназа) і введено поняття – проферменти, розшифровано значення печінки в нейтралізації аміаку і утворенні сечовини та ін.
У 1891 р. в Петербурзі M.В. Ненцький (1847 – 1901) створює першу в країні біохімічну лабораторію. Л.П. Мархлевський і M.В. Ненцький встановлюють хімічну спорідненість гемоглобіну і хлорофілу. Вивчається хімічна будова гема, продукти розпаду білків, хімічний склад бактерій та ін. В.Г. Гулевич відкриває в м'язовій тканині карнітин, карнозин та ін. С.С. Салазкін вивчає деталі азотного обміну в організмі тварин (утворення сечовини, сечової кислоти та ін.).
Інтенсивно розвивається біохімія рослин. К.А. Тімірязев і його співробітники вивчають процеси фотосинтезу. В.І. Палладін формулює теорію дихання рослин. О.М. Бах створює перекисну теорію біологічного окислення.
В ці роки проводяться дослідження, що визначили подальший зміст біохімії. У 1880 р. М.І. Лунін відкриває додаткові чинники живлення, які пізніше були названі вітамінами. Р.А. Бунге встановлює значення багатьох макро- і мікроелементів в обміні речовин. В.І. Вернадський закладає основи вчення про біосферу.
Ряд найважливіших робіт виконують зарубіжні учені. Ф. Мішер у 1868 р. відкриває нуклеїнові кислоти. Л. Пастер розшифровує багато реакцій клітинного дихання і бродіння. P. Келлікер в 1857 р. відкриває мітохондрії. В лабораторіях Е. Фішера, А. Косселя і Ф. Гофмейстера створюються основи сучасних уявлень про структуру і властивості білків. Е. Фішер вивчає механізм дії ферментів. К. Нейберг розробляє схему реакцій спиртового бродіння і в 1903 р. замінює термін „фізіологічна хімія” новим – „біохімія”. У. Бейлісс і Е. Старлінг відкривають гормони. В 1911 р. К. Функ з рисових висівок виділяє додатковий чинник живлення і називає його вітаміном. С. Сервісен вводить поняття рН і розробляє методи синтезу амінокислот.
У першій половині XX ст. формуються сучасні напрями біохімії – біохімія людини (медична біохімія), тварин, рослин, мікробів і вірусів. Інтенсивно розвиваються клінічна і технічна біохімія. Відбувається диференціація біохімії на окремі галузі: вітамінологію, ензимологію, біохімію гормонів, гісто- і цитохімію, еволюційну, порівняльну, радіаційну біохімію та ін.
Розвиток біохімії в СРСР. Засновником школи радянських біохіміків є О.М. Бах. У 1921 р. він організував Біохімічний інститут Народного комісаріату охорони здоров'я, а в 1935 р. спільно з О.І. Опаріним – Інститут біохімії АН СРСР.
Розвиток біохімії тварин починається з 1922 р., коли акад. О.М. Бах створив при Державному інституті експериментальної ветеринарії (ДІЕ-В) біохімічне відділення. У відділенні, яке було перетворено в лабораторію біохімії, розробляються різні питання теоретичної і практичної ветеринарної біохімії, готуються кадри вищої кваліфікації для вузів, науково-дослідних інститутів і ветеринарних лабораторій країни. В різні роки тут працювали відомі фахівці в області біохімії – Б.І. Збарський, В.О. Енгельгардт, Д.О. Цуверкалов, H.M. Клімов, І.І. Кучеренко, M.А. Бабіч, В.M. Красов, О.Р. Малахов, В.Ф. Поляков, Р.Ф. Коромислов та ін. У медичних, ветеринарних і сільськогосподарських вузах створюються кафедри біохімії, в республіканських і обласних ветеринарних лабораторіях – біохімічні відділи, вирішальні питання практичної ветеринарії. Результати біохімічних досліджень широко впроваджуються в різні галузі народного господарства, медицину, ветеринарію, тваринництво.
На Україні перший інститут біохімії був організований у 1925 р. О.В. Палладіним у м. Харкові. З 1934 р. цей інститут був переведений до м. Києва. Нині Інститут біохімії імені О.В. Палладіна НАН України є одним з найбільших наукових центрів, в якому всесторонньо розробляються актуальні питання біохімії.
Найвидатніші біохіміки нашої країни – О.М. Бах, Б.І. Збарський, О.В. Палладін, В.О. Енгельгардт, О.М. Белозерський, О.І. Опарін, Я.В. Пейве, С.E. Северин, В.В. Ковальський, О.О. Баєв, О.С. Спірин та ін.
Значний внесок в розвиток біохімії тварин внесли П.П. Астанін, С.І. Афонський, С.С. Гжіцький, Р.В. Камалян, E.С. Савронь, Ф.Я. Беренштейн, О.Т. Апасьев, С.І. Трусов та ін. Успішно вирішують багато проблем сучасної біохімії тварин лабораторії М.О. Шманенкова, M.Ф. Гулого, H.Р. Григорьева, І.Д. Головацького, А.Р. Малахова, М.M. Клімова, Я.А. Бабіна, Ф.Ю. Палфія, О.В. Чечеткіна, X.Ш. Казакова, M.T. Таранова, К.Р. Сухомлин, С.І. Кусеня та їх численних учнів.
Членами Академії наук СРСР було багато видатних біохіміків США, Англії, Франції і інших країн. Зокрема, X.Г. Корана – автор досліджень по синтезу нуклеотидів, коферментів, гена; С. Очоа – виконав комплекс робіт по синтезу РHK і вивченню структури ферментів; Л.К. Полінг – автор робіт про природу хімічного зв'язку в комплексних сполук; А. Сент-Дьердьї – відкрив вітамін С і отримав його синтетично, автор багатьох робіт по клітинному диханню, м'язовому скороченню; В. Пролог – автор робіт по стереохімії, який розробив сучасні методи дослідження в біохімії.
У багатьох країнах світу існують наукові біохімічні товариства, які діють і зараз. В СРСР у 1958 р. було створено Всесоюзне біохімічне товариство (ВБТ) з республіканськими і міськими відділеннями, об'єднує близько 10000 біохіміків різних напрямів. Воно є колективним членом Міжнародного біохімічного союзу і Європейської федерації біохіміків. ВБТ координує біохімічні дослідження в різних галузях біохімії, організовує наукові конгреси, з'їзди, конференції і симпозіуми, здійснює наукові контакти з іншими науковими товариствами країни і за рубежем, видає щорічник „Успіхи біологічної хімії”.
Через кожні п'ять років проводяться Всесоюзні біохімічні з'їзди, на яких підводяться підсумки роботи біохіміків різних напрямів, визначаються шляхи впровадження результатів досліджень і намічаються перспективи подальшої роботи.
Лекція № 1. Методи дослідження в біохімії. Живі системи та їх організація.
НАПРЯМИ І МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ В БІОХІМІЇ
Обмін речовин – основна ознака живого. Основною межею, що відрізняє живу матерію від неживих тіл, є обмін речовин. Ф. Енгельс, визначаючи життя, відзначав: „Життя є спосіб існування білкових тіл, істотним моментом якого є постійний обмін речовин з оточуючою їх зовнішньою природою, причому з припиненням цього обміну речовин припиняється і життя, що приводить до розкладання білка”.
Обмін речовин складається з двох взаємозв'язаних і взаємообумовлених процесів – асиміляція і дисиміляція. Асиміляція – це комплекс фізіологічних і біохімічних перетворень речовин, які поступають в організм, в сполуки, необхідні для його існування. Обмін речовин в тваринному і рослинному організмах має принципові відмінності. Так, рослина будує складові частини свого тіла в процесі фотосинтезу в основному в результаті використання сонячної енергії, води, вуглекислого газу і мінеральних речовин, а людина і тварини одержують речовини рослинного і тваринного походження після їх попереднього розщеплення в травному тракті.
У різних органах, тканинах і клітинах утворюються окремі речовини, необхідні для самозбереження і функціонування живого організму. Ці речовини не є незмінними: в процесі життя вони синтезуються, розпадаються і самооновлюються. При розкладанні цих речовин утворюються шкідливі для організму сполуки, які виводяться з нього як кінцеві продукти обміну. Цей процес називається дисиміляцією.
Біохімічні методи використовуються головним чином для вивчення закономірностей процесів асиміляції і дисиміляції в живих організмах з тим, щоб направлено впливати на ці процеси.
Матеріал для біохімічних досліджень. Біохімічні дослідження проводяться на матеріалі, отриманому від людини, тварин, рослин, мікробів і вірусів. Ним можуть бути продукти життєдіяльності організму, органи, тканини, клітини і субклітинні структури. Матеріал одержують від живих і неживих організмів. Пробами для біохімічних досліджень живих організмів може бути вміст початкових і кінцевих речовин балансових дослідів, ангіостомії, різні біологічні рідини (кров, лімфа, ліквор, травні соки, сеча, химус, піт та ін.), біопсійний матеріал (шматочки органів і тканин, видалених хірургічним шляхом), продукти життєдіяльності організму (молоко, шерсть, середовище існування мікробів) та ін. Проби слід брати швидко, з дотриманням правил асептики і антисептики, етикетувати, після чого піддавати відповідній обробці, яка забезпечувала б максимальне збереження прижиттєвого хімічного складу.
Для біохімічних досліджень твердий матеріал (шматочки органів і тканин) подрібнюється до однорідної кашки (розтиранням в ступці з кварцовим піском) або до гомогенної маси (подрібненням в гомогенізаторах, ультразвуком, осмотичним цитолізом, методом заморожування і відтавання). Подрібнена кашка, гомогенат або біологічні рідини за звичай негайно фіксуються в рідкому кисні, охолоджених сумішах діетилового ефіру, ацетону та ін. Іноді такий матеріал заливають відповідним розчинником, що екстрагує досліджувану речовину або групу речовин. Часто вдаються до озолення матеріалу сухим (обвуглюють, а потім одержують водну або солянокислу витяжки) або мокрим (руйнують окислюючими сумішами) способами. У ряді випадків гомогенати піддають диференціальному центрифугуванню, одержуючи окремі фракції субклітинних структур. Отриманий і підготовлений для біохімічних досліджень матеріал бережуть в певних умовах, передбачених методом, найчастіше при температурі 0 – 4 °C. Зберігання матеріалу не повинно бути тривалим, оскільки з часом його хімічний склад змінюється. В деякі види матеріалу (наприклад, в сечу) для збереження додаються фіксуючі засоби (кристали тимола).
Рівні вивчення обміну речовин. Обмін речовин в живій матерії можна вивчати на різних рівнях, починаючи від організму і кінчаючи атомами. Серед методів вивчення обміну речовин на рівні цілісного організму особливе місце займає метод балансових дослідів, коли в організмі тварини розглядається перетворення речовин, починаючи від складу корму і кінчаючи продуктами кінцевого обміну, які визначаються у видихуваному повітрі, сечі, калі, поті. Цінні дані по обміну речовин в цілісному організмі можна отримати методом колориметрії, який дає можливість визначити енергетичну цінність поживних речовин в звичайних умовах і в умовах досліду. Окремі сторони перетворення речовин в організмі можна вивчити методом визначення дихального коефіцієнта. Багато сторін обміну речовин в організмі вивчають, досліджуючи хімічний склад окремих біологічних рідин (наприклад, за вмістом іонів Ca2+ в сироватці крові можна судити про стан обміну кальцію в організмі).
Матеріал для біохімічних досліджень, який характеризує обмін речовин на рівні окремих органів, одержують при постановці спеціальних дослідів. До них слід віднести метод ангіостомії, розроблений E.С. Лондоном. В кровоносні судини органу вставляють канюлі, за допомогою яких одержують проби артеріальної і венозної крові. При органостомії канюлю вставляють до органу, а після загоєння рани беруть проби для біохімічного аналізу. І.П. Павлов і його учні розробили постановку фістул для більшості органів травлення. Іноді матеріалом для досліджень служать біологічні рідини (кров, лімфа, ліквор, сеча та ін.), отримані від тварин, у яких видалений або був підсаджений орган (найчастіше – залози внутрішньої секреції).
Деякі біохімічні дослідження проводяться на тканинному рівні. Представляє інтерес метод тканинних зрізів, розроблений О. Варбургом. З тканин, тільки що відокремлених від організму, готують тонкі зрізи, які негайно поміщають у відповідні розчини. Через деякий час в зрізах і розчинах вивчають продукти метаболізму. Інкубацію зрізів проводять в замкнутій системі з манометром при температурі 37 оC. Набувають поширення гістохімічні методи, за допомогою яких на препаратах мікроскопічно визначають тканинну локалізацію і вміст окремих речовин.
Матеріалом для біохімічних досліджень можуть служити клітини. Найоб'єктивніші дані по хімічній статиці і динаміці клітин дають кількісні цитохімічні методи, за допомогою яких на препаратах (мазках або відбитках) визначають в окремих клітинах кількість різних хімічних речовин. Цінну інформацію про обмін речовин можна отримати на клітинному рівні, використовуючи метод авторадіографії. Піддослідним тваринам вводять радіоактивні ізотопи, які включаються в реакцію асиміляції. Через деякий час піддослідних тварин вбивають, а з відповідних їх органів або тканин готують гістологічні препарати. Після певної обробки виявляють радіоактивний розпад ізотопів. Метод точний і дозволяє визначити в клітині до 50 – 60 атомів ізотопу.
Інформацію про обмін речовини на субклітинному рівні можна отримати, вивчаючи продукти фракціонування клітинних структур. Спочатку з відповідного матеріалу (шматочків органів або тканин) одержують гомогенат. На спеціальних приладах – ультрацентрифугах – одержують фракції і підфракції, які містять різні субклітинні структури, що і служать матеріалом для біохімічних досліджень.
Методи електронної гісто- і цитохімії дають можливість при збільшенні електронного мікроскопа 1 – 0,1 нм виявляти в субклітинних структурах локалізацію і кількість окремих хімічних речовин.
Комплексне використання методів дозволило розшифрувати ультраструктуру клітини – основного об'єкту дослідження живої матерії.
Виділення досліджуваних речовин з матеріалу. В матеріалі для біохімічного дослідження речовини рідко зустрічаються в чистому вигляді. Для розділення сумішей і виділення речовин у чистому вигляді застосовується ряд методів: перегонка, сублімація, випаровування, мікродифузія, фільтрація в гелях сефадексів, діаліз, кристалізація, екстракція, аналіз седиментації, електрофорез та ін. Багато які з цих методів основані на відмінності температури переходу речовини з одного агрегатного стану в інший, розділенні у зв'язку з неоднаковою величиною молекул або частинок, різної розчинності, різної реакційної здатності сполук, неоднакової швидкості седиментації, відмінності розподілу між рухомою і нерухомою фазами на основі неоднакової розчинності, величини сорбції молекул і електричного заряду, на неоднаковому електричному заряді молекул при певному значенні рН, на відмінності рухливості в електричному і магнітному полі комплексу речовини із зарядженими частинками, розділенні на основі різних імунних властивостей речовин та ін.
Основи методів кількісного аналізу. Методи кількісного аналізу, які використовуються в біохімії, основані на визначенні в тому або іншому субстраті кількості речовини за її екстенсивними властивостями (маса, об'єм) або фізичними, термічними, електричними, ядерними, хімічними, а також по взаємодії речовини з променистою енергією, дифракції рентгенівського проміння і електронів, випуску випромінювання та ін.
Класифікація біохімічних методів. Кількість біохімічних методів, які використовуються у теоретичній і прикладній біохімії, клінічній практиці і суміжних дисциплінах, величезне. Так, наприклад, для виявлення холестерину існує понад 100 біохімічних методів. Є декілька видів класифікацій. Найбільш прийнятна класифікація за способом підходу до визначення вмісту тієї або іншої речовини в субстраті.
Методи об'ємно-вагового аналізу. Принципи об'ємно-вагового аналізу є основою біохімічного дослідження. По кількості речовини в субстраті розрізняють: макрометоди – для аналізу береться 40 – 50 мл розчину або близько 500 мг сухої речовини; напівмікрометоди – об'єм досліджуваного розчину складає від 1 до 100 мл, маса сухої речовини – від 10 до 100 мг; мікрометоди – об'єм досліджуваного розчину – декілька десятих часток мілілітра, маса сухої речовини – декілька міліграмів; ультрамікрометоди – об'єм досліджуваного розчину менше 0,1 мл, маса сухої речовини менше 1 мг.
Об'ємно-ваговий аналіз оснований на кількісному визначенні об'єму або маси досліджуваної речовини. Це визначення проводиться зважуванням (для сухих речовин) або титруванням (для розчинів).
Методи об'ємно-вагового аналізу, основані на титруванні, ділять на чотири групи: ацидометричні, алкаліметричні, оксидометричні і осадження. Для першої групи як титруючий розчин застосовують розчин кислоти, другої – розчин лугу, третьої – окислювачі, четвертої – солі важких металів. Перші дві групи методів називають методами нейтралізації. Методом нейтралізації визначають, наприклад, загальний і залишковий азот по Кьельдалю, оксидометрією визначають цукор крові і т.д.
Кількісний вміст сухої речовини визначається гравіметричним методом. Наважку проби розчиняють, малорозчинний осад промивають, потім висушують або прожарюють до постійного значення маси, а потім визначають її величину. Прикладом може бути визначення маси казеїну в молоці.
Оптичні методи володіють високою чутливістю (вони виявляють у пробах вміст речовин у концентраціях менше 0,001 мг), специфічністю і точністю. Розрізняють п'ять основних груп оптичних методів: адсорбційні, нефелометричні і турбідиметричні, люмінесцентні, спектральні і поляриметричні.
Адсорбційні методи основані на визначенні кількості речовини в розчинах по інтенсивності поглинання ним світлової енергії. Залежно від використання світлової енергії розрізняють фотометрію і спектрофотометрію. Фотометрія включає власне фотометричні (візуальні і фотоелектроколориметричні) і колориметричні (стандартних серій і шкали, колориметричного титрування, порівняння) методи. Прикладом широкого використання цих методів в лабораторній практиці є визначення фосфору в сироватці крові фотоелектроколориметром по Фіску-Суббароу. Розрізняють три види спектрофотометрії: фотографічну, термоелектричну і фотоелектричну. В біохімії найчастіше використовується фотоелектрична спектрофотометрія, наприклад визначення нуклеїнових кислот спектрофотометрами.
Нефелометричні і турбідиметричні методи (візуальні і об'єктивні) основані на вимірюванні інтенсивності світлового потоку, розсіяного суспензіями окремих речовин. При нефелометрії вимірюється інтенсивність розсіяного світлового потоку в напрямі, перпендикулярному до падаючого світлового потоку. При турбідиметрії вимірюється інтенсивність світлового потоку, який пройшов через кювету з розчином, що вивчається, у напрямі падаючого світлового потоку. Ці методи застосовуються при визначенні в різних розчинах вмісту білків, амінокислот, деяких вітамінів і інших речовин. Наприклад, фотоелектроколориметрами-нефелометрами визначають вміст альбумінів і глобулінів в сироватці крові.
Люмінесцентний аналіз володіє високою чутливістю (від 0,0001 до 1000 мкг), специфічністю виявлення мінімальних кількостей речовин, яскравістю і контрастністю. Він оснований на здатності окремих речовин спочатку поглинати, а потім випромінювати світлову енергію. Деякі речовини володіють власною (первинною) люмінесценцією (вітаміни групи А, ліпофусцин, амілоїди, бензопірен). У інших сполук ця властивість виникає після обробки їх флуорохромами (вторинна люмінесценція). Метод використовується для визначення вмісту вітаміну В1 в сечі електронним флуориметром по Вангу і Харрісу та ін.
Спектральний аналіз дає можливість вивчати якісний і кількісний склад молекул і атомів різних речовин на основі визначення спектрів поглинання або випускання світлової енергії. Розрізняють декілька видів спектрального аналізу – емісійний, адсорбційний і комбінаційний. У клініці широко застосовується полум’яно-фотометричний метод визначення натрію, калію і кальцію в сироватці крові по Габшу.
Поляриметричний аналіз оснований на здатності оптично активних речовин в розчині обертати площину поляризованого світла. У складі молекули такої речовини є асиметричні атоми вуглецю. Як приклад назвемо визначення вмісту глюкози в сечі поляриметром або глюкозиметром.
Хроматографічні методи. Найчастіше використовуються як попередні методи біохімічного аналізу. Так, цими методами з різних сумішей виділяють речовини в чистому вигляді, а потім іншими методами (головним чином, об'ємно-ваговими і оптичними) визначають їх кількісний вміст. Методи були розроблені і введені російським ботаніком M.С. Цветом у 1903 р.
Залежно від середовища, де проводиться розділення, розрізняють газову, газорідинну і рідинну хроматографію; залежно від механізму розділення – адсорбційну (молекулярну), розподільну, іонообмінну, осадову, окисно-відновну, адсорбційно-комплексоутворюючу; залежно від методу проведення – колоночну, капілярну, площинну (паперову і в тонкому шарі); залежно від мети дослідження – аналітичну, препаративну і промислову. Методи хроматографії часто застосовують спільно з методами електрофореза для виділення і очищення різних речовин з сумішей (наприклад, якісне і кількісне визначення амінокислот в сироватці крові за допомогою хроматографії).
Методи електрофореза. Застосовуються для розділення білків на окремі фракції (альбуміни, a-, b-, g-глобуліни) і підфракції, а також для виділення ізоферментів та інших речовин з біологічних рідин і штучних розчинів. Розрізняють препаративний і кількісний електрофорез. Препаративний електрофорез застосовується для розділення сумішей речовин в газовому і рідкому середовищах. Кількісний електрофорез використовується для визначення кількості речовин після їх розділення. В біохімічних дослідженнях часто використовуються зональний фронтальний (або вільний) електрофорез, мікроскопічний та імуноелектрофорез. Залежно від природи носія зональний електрофорез може проводитися на папері, в гелях, в блоках і т.д. В клініці часто проводиться електрофоретичне визначення білкових фракцій сироватки крові на папері. У ряді випадків застосовується універсальний прилад для імуноелектрофореза і електрофореза білків (УЕФ), за допомогою якого білки розділяють на агар-агарі, папері, крохмалі, проводячи потім їх кількісне визначення.
Методи полярографії. Це група електрохімічних методів, основаних на явищі дифузійного струму, величина якого пропорційна концентрації речовини, що обумовлює цей струм. Розрізняють постійнострумову, зміннострумову, високочастотну, імпульсну і осцилографічну полярографію. Методи використовуються для ранньої діагностики хвороб серцево-судинної системи, визначення вмісту в тканинах кисню і мікроелементів, оцінки якості м'яса та ін. В клініці застосовується полярографічний метод визначення вмісту фосфору в сироватці крові (за M.О. Кондрашовою).
Манометрові методи. Основані на вимірюванні тиску рідин або газів манометрами. Використовується для вимірювання тиску газів (найчастіше CO2 і O2) під час їх поглинання або утворення при постійній температурі і об'ємі в закритій системі. Застосовуються при вивченні тканинного обміну, різних видів бродіння, дослідженні газообміну між кров'ю і тканинами, визначенні ряду продуктів проміжного обміну, амінокислот, активності окремих ферментативних систем і т.д. Прикладом може бути метод визначення окислювального фосфорилування по Варбургу.
Інші методи біохімічних досліджень. Окрім розглянутих, в біохімії застосовуються методи ультрацентрифугування і радіоактивних ізотопів. В першому випадку використовуються ультрацентрифуги, що дають від 20000 до 200000 об/хв. Методи ділять на декілька видів: визначення швидкості седиментації, рівноваги седиментації і метод диференційного центрифугування. Вони дають можливість отримати окремі фракції і підфракції клітин і тканин, хімічний склад яких вивчається різноманітними методами об'ємно-вагового, оптичного, полярографічного і інших аналізів.
При використанні методу радіоактивних ізотопів піддослідній тварині ін'єкцією або з кормом вводиться мічений попередник, після чого він включається в реакції обміну речовин.
Радіоактивний розпад мічених атомів потім уловлюється радіометрами. В лабораторній практиці застосовується метод визначення оновлення фосфору білків.
Статистична обробка результатів біохімічних досліджень. Цифрові дані, отримані різними біохімічними методами, піддаються статистичній обробці. Така обробка дозволяє об'єктивно оцінити результати досліджень. Існує ряд методів статистичної обробки, які приводяться в керівництві по використанню біохімічних методів. Після статистичної обробки приступають до узагальнення результатів біохімічних досліджень. Узагальнення відображаються в таблицях, графіках, діаграмах і інших матеріалах. На підставі цього формулюються висновки про закономірності явищ, що вивчаються, – біохімічній статиці і динаміці живих організмів.
ХІМІЧНИЙ СКЛАД ТВАРИННОГО ОРГАНІЗМУ
Хімічні елементи. З відомих 115 хімічних елементів в живих організмах було виявлено близько 70. Частина з них постійно знаходиться в тканинах всіх тваринних організмів, незалежно від рівня їх організації. Це С, N, H, О, S, P, К, Ca, Mg, Zn, Fe, Mn, Cu і Со. Решта хімічних елементів (Mo, В, U, Na, I, Cl та ін.) виявляються в тканинах окремих видів організмів і відносяться до категорії елементів, що інколи зустрічаються:
|
Елемент |
Середній вміст в організмі тварини, % |
Елемент |
Середній вміст в організмі тварини, % |
|
Кисень |
62,43 |
Магній |
0,027 |
|
Вуглець |
21,15 |
Йод |
0,014 |
|
Водень |
9,86 |
Фтор |
0,009 |
|
Азот |
3,10 |
Залізо |
0,005 |
|
Кальцій |
1,90 |
Цинк |
0,003 |
|
Фосфор |
0,95 |
Бром |
0,002 |
|
Калій |
0,23 |
Алюміній |
0,001 |
|
Сірка |
0,08 |
Кремній |
0,001 |
|
Хлор |
0,08 |
Мідь |
0,00015 |
|
Натрій |
0,080 |
Хімічні елементи беруть неоднакову участь в побудові живої матерії. Частина з них є макроелементами О, С, H, Ca, К, N, P, S, Mg, Na, Cl і Fe), вміст їх в організмі перевищує 0,001%, частина – мікроелементами (Cu, Mn, Zn, W, Co та ін.), їх вміст в організмі коливається від 0,001 до 1%, частина – ультрамікроелементами (Pb, V, Au, Hg та ін.), їх частка складає менше 0,000001% загальної маси організму.
Елементарний склад живих організмів в основному представлений елементами, здатними утворювати легкорухомі хімічні сполуки. В живих організмах, як правило, міститься п'ять хімічних елементів – С, О, H, N і P. Вони мають невелику атомну масу, здатні утворювати кратні зв'язки, беруть участь в утворенні пластичних і високоенергетичних речовин. Деякі хімічні елементи локалізуються в певних органах і тканинах. Наприклад, кальцій локалізується в кістковій тканині, залізо – в крові, цинк – в гіпофізі, йод – в щитовидній залозі, мідь – в печінці, фтор – в зубах, стронцій – в шерсті і шкірі. Вміст різних хімічних елементів в організмі визначається багатьма чинниками: зоною існування, видом і віком тварини, раціоном, порою року і фізіологічним станом і т.д.
Групи речовин. Тіло тварини складається з неорганічних і органічних речовин. Неорганічні речовини представлені водою (60 – 65% загальної маси організму) і мінеральними речовинами. Вода є основним учасником реакцій обміну речовин. Мінеральні речовини представлені в основному у вигляді іонів, за винятком деяких органів і тканин, в яких вони знаходяться у вигляді солей (наприклад, в кістках утворюються солі кальцію і фосфору). Вміст мінеральних речовин може досягати 10% загальної маси організму. Решта частини сухого залишку органів і тканин має органічне походження. Білки складають 40 – 50% всіх органічних речовин, нуклеїнові кислоти, ліпіди, вуглеводи і інші речовини – 50 – 60%. Середній хімічний склад тіла хребетних приблизно такий, %: вода – 65,9; білки – 16,8; ліпіди – 10,5; мінеральні речовини – 5,6; вуглеводи й інші продукти обміну – 1,2.
Біологічні структури. Організм тварини складається з органів, органи – з тканин, тканини – з клітин. Їх хімічний склад показаний в таблиці 1.
Таблиця 1.
Хімічний склад деяких органів і тканин, % (по С. M. Рапопорту)
|
Орган, тканина |
Вода |
Білки |
Ліпіди |
Мінеральні речовини |
|
Шкіра |
58 |
27 |
14 |
0,6 |
|
Скелет |
28 |
20 |
25 |
27 |
|
М'язи |
70 |
22 |
6 |
1 |
|
Жирова тканина |
23 |
6 |
71 |
0,2 |
|
Печінка |
71 |
22 |
3 |
1,4 |
|
Мозок |
75 |
11 |
12 |
1,4 |
Клітина – елементарна жива система, структурна і функціональна одиниця організму людини, тварини і рослини. В організмі людини налічується до 30 більйонів різних клітин. Клітина має складний молекулярний склад (табл.2).
Таблиця 2.
Хімічний склад живої клітини (по О. Гізе)
|
Речовина |
Вміст, % |
Середня молекулярна маса |
Число молекул на молекулу ДНК |
|
Вода |
85 |
18 |
1,2 • 107 |
|
Білки |
10 |
36000 |
7,0 • 102 |
|
ДНК |
0,4 |
106 |
1,0 |
|
РНК |
0,7 |
4,0 • 104 |
4,4 • 101 |
|
Ліпіди |
2 |
700 |
7,0 • 103 |
|
Інші органічні речовини |
0,4 |
250 |
4,0 • 103 |
|
Мінеральні речовини |
1,5 |
55 |
6,8 • 104 |
Таким чином, в клітині на одну молекулу ДНК доводиться в середньому 44 молекули РНК, 700 молекул білка і 7000 молекул ліпідів. Наприклад, гепатоцит щура має масу 2,1 • 10-3 мкг, вода складає 1,3, білок – 0,44, глікоген – 0,12, ліпіди – 0,12, нуклеїнові кислоти – 0,03, мінеральні речовини – 0,02, залізо – 0,0003 мкг.
БІОЛОГІЧНІ МЕМБРАНИ
Всі живі клітини відокремлені від навколишнього середовища поверхнею, яка називається клітинною мембраною. Крім того, для еукаріотів характерним є утворення усередині клітин декількох компартментів. Вони представлені рядом субклітинних органел, обмежених мембранами, наприклад, ядро і мітохондрії. Мембрани – це не тільки статично організовані поверхні розділу, вони також включають активні біохімічні системи, що відповідають за такі процеси, як вибірковий транспорт речовин всередину і назовні клітини, зв’язування гормонів і інших регуляторних молекул, протікання ферментативних реакцій, передача імпульсів нервової системи і т.д. Існують різні типи мембран, які відрізняються за функціями, які вони виконують. Функції мембран обумовлені їх будовою (рис. 1).
Рис. 1. Функції мембран
Хімічний склад. Мембрани складаються з ліпідних і білкових молекул, відносна кількість яких варіює (від 1/5 – білок + 4/5 – ліпіди до 3/4 – білок + 1/4 – ліпіди) у різних мембран. Вуглеводи містяться у формі глікопротеїнів, гліколіпідів і складають 0,5 – 10% речовини мембрани.
Ліпіди мембран. Основна частина ліпідів в мембранах представлена фосфоліпідами, гліколіпідами і холестерином:
Будова ліпідів мембран. Ліпіди мембран мають в структурі дві різні частини: неполярний гідрофобний „хвіст” і полярну гідрофільну „голову”. Таку подвійну природу сполук називають амфіфільною. Ліпіди мембран утворюють двошарову структуру. Кожний шар складається з складних, розташованих таким чином ліпідів, що неполярні гідрофобні „хвости” молекул знаходяться в тісному контакті один з одним. Так само контактують гідрофільні частини молекул. Всі взаємодії мають нековалентний характер. Два моношари орієнтуються „хвіст до хвоста” так, що структура подвійного шару, який утворюється, має внутрішню неполярну частину і дві полярні поверхні. Білки мембран включені в ліпідний подвійний шар двома способами:
Зв'язані з гідрофільною поверхнею ліпідного бішару – поверхневі мембранні білки;
Занурені в гідрофобну область бішару – інтегральні мембранні білки.
Поверхневі білки своїми гідрофільними радикалами амінокислот зв'язані нековалентними зв'язками з гідрофільними групами ліпідного бішару. Інтегральні білки розрізняються за ступенем зануреності в гідрофобну частину бішару. Вони можуть розташовуватися по обох сторонах мембрани і (або) частково занурюються в мембрану, або прошивають мембрану наскрізь. Занурена частина інтегральних білків містить велику кількість амінокислот з гідрофобними радикалами, які забезпечують гідрофобну взаємодію з ліпідами мембран. Гідрофобні взаємодії підтримують певну орієнтацію білків у мембрані. Гідрофільна виступаюча частина білка не може переміститися в гідрофобний шар. Частина мембранних білків ковалентно зв'язується з моносахаридними залишками або олігосахаридними ланцюгами – глікопротеїни. Приклади розташування білків і ліпідів в мембрані представлені на рисунку 2.
Рис. 2. Структура плазматичної мембрани
Асиметрія мембран. Хоча кожний моношар утворений з ліпідів, орієнтованих однаково, проте, ліпідний склад моношарів розрізнений. Наприклад, в плазматичній мембрані еритроцитів фосфатидилхоліни переважають в зовнішньому шарі, а фосфатидилсерини у внутрішньому шарі мембрани. Вуглеводні частини білків і ліпідів розташовуються на зовнішній частині мембрани. Крім того, поверхні мембрани відрізняються за складом білків. Ступінь такої асиметрії мембран різний у різних типів мембран і може змінюватися в процесі життєдіяльності клітини і її старіння. Рухливість (жорсткість) і текучість мембран також залежать від її складу. Підвищена жорсткість обумовлюється збільшенням співвідношення насичених і ненасичених жирних кислот, а також холестерину. Фізичні властивості мембран залежать від розташування білків в ліпідному шарі. Ліпіди мембран здатні до дифузії в межах шару паралельно поверхні мембрани (латеральна дифузія). Білки теж здатні до латеральної дифузії. Поперечна дифузія в мембранах дуже обмежена.
Мембранний транспорт. Транспорт речовин всередину і назовні клітини, а також між цитоплазмою і різними субклітинними органелами (мітохондріями, ядром і т.д.) забезпечується мембранами. Якби мембрани були глухим бар'єром, то й внутрішньоклітинний простір виявився б неприступним для поживних речовин, а продукти життєдіяльності не могли б видалятися з клітини. В той же час при повній проникності було б неможливе накопичення певних речовин в клітині. Транспортні властивості мембрани характеризуються напівпроникністю: деякі речовини можуть проникати через неї, а інші – ні (рис. 3).
Рис. 3. Проникність мембран для різних речовин
Одна з головних функцій мембран – регуляція перенесення речовин. Існують два способи перенесення речовин через мембрану: пасивний і активний транспорт (рис. 4).
Пасивний транспорт. Якщо речовина рухається через мембрану з області з високою концентрацією у бік низької концентрації (тобто за градієнтом концентрації цієї речовини) без витрати клітиною енергії, то такий транспорт називається пасивним, або дифузією. Розрізняють два типи дифузії: просту і полегшену.
Проста дифузія характерна для невеликих нейтральних молекул (H2O, CO2, O2), а також гідрофобних низькомолекулярних органічних речовин. Ці молекули можуть проходити без якої-небудь взаємодії з мембранними білками через пори або канали мембрани до тих пір, поки зберігатиметься градієнт концентрації.
Рис. 4. Транспорт речовин через мембрани
Полегшена дифузія. Характерна для гідрофільних молекул, які переносяться через мембрану також за градієнтом концентрації, але за допомогою спеціальних мембранних білків-переносників. Для полегшеної дифузії, на відміну від простої, характерна висока вибірковість, оскільки білок переносник має центр скріплення комплементарний речовині, що транспортується, і перенесення супроводжується конформаційними змінами білка. Один з можливих механізмів полегшеної дифузії може бути таким: транспортний білок (транслоказа) зв'язує речовину, потім зближується з протилежною стороною мембрани, звільняє цю речовину, приймає початкову конформацію і знов готовий виконувати транспортну функцію. Мало відомо про те, як здійснюється пересування самого білка. Інший можливий механізм перенесення припускає участь декількох білків-переносників. В цьому випадку спочатку зв'язана сполука сама переходить від одного білка до іншого, послідовно зв'язуючись то з одним, то з іншим білком, поки не виявиться на протилежній стороні мембрани.
Активний транспорт має місце у тому випадку, коли перенесення здійснюється проти градієнта концентрації. Таке перенесення вимагає витрати енергії клітиною. Активний транспорт служить для накопичення речовин усередині клітини. Джерелом енергії часто є АТФ. Для активного транспорту окрім джерела енергії необхідна участь мембранних білків. Одна з активних транспортних систем в клітині тварин відповідає за перенесення іонів Na+ і K+ через клітинну мембрану. Ця система називається Na+- K+- насос. Вона відповідає за підтримку складу внутрішньоклітинного середовища, в якому концентрація К+ вище, ніж Na+ (рис. 5).
Рис. 5. Механізм дії Na+, K+-АТФ-ази
Градієнт концентрації калія і натрія підтримується шляхом перенесення К+ всередину клітини, а Na+ назовні. Обидва види транспорту відбуваються проти градієнта концентрації. Такий розподіл іонів визначає вміст води в клітинах, збудливість нервових клітин і клітин м'язів і інші властивості нормальних клітин. Na+-K+-насос – білок – транспортної АТФ-ази. Молекула цього ферменту є олігомером і пронизує мембрану. За повний цикл роботи насоса з клітини в міжклітинну речовину переноситься три іони Na+, а у зворотному напрямі – два іони К+. При цьому використовується енергія молекули АТФ. Існують транспортні системи для перенесення іонів кальцію (Са2+-АТФ-ази), протонні насоси (Н+-АТФ-ази) та ін. Симпорт – це активне перенесення речовини через мембрану, яке здійснюється за рахунок енергії градієнта концентрації іншої речовини. Транспортна АТФ-аза в цьому випадку має центри скріплення для обох речовин. Антипорт – це переміщення речовини проти градієнта своєї концентрації. При цьому інша речовина рухається в протилежному напрямі за градієнтом своєї концентрації. Симпорт і антипорт можуть відбуватися при всмоктуванні амінокислот з кишечника і реабсорбції глюкози з первинної сечі. При цьому використовується енергія градієнта концентрації іонів Na+, яка створюється Na+-K+-АТФ-азою.
Основні поняття і терміни біологічної хімії
Обмін речовин і енергії є однією з найважливіших і найсуттєвіших ознак живого організму. Живі організми – відкриті системи, для існування яких необхідний постійний двосторонній зв'язок (обмін) з навколишнім середовищем. З навколишнього середовища вони одержують поживні речовини та енергію, перетворюють їх, видозмінюють, використовуючи утворені сполуки для власних потреб, та повертають в навколишнє середовище кінцеві продукти обміну. Вся сукупність процесів поглинання, засвоєння речовин з навколишнього середовища та утворення і виділення кінцевих продуктів – суть обміну речовин.
Умовно обмін речовин включає такі рівні: загальний, проміжний та внутрішньоклітинний. Загальний обмін включає процеси надходження поживних речовин в організм, їх перетворення і виділення продуктів обміну. Проміжний обмін – це перетворення речовин в організмі з моменту надходження їх до утворення кінцевих продуктів обміну. Внутрішньоклітинний обмін – це перетворення речовин після всмоктування. Оскільки, за винятком процесів перетравлювання і всмоктування, а також утворення деяких міжклітинних рідин і мінеральних речовин у кістковій тканині, всі інші процеси відбуваються в клітинах організму, то поняття проміжного і внутрішньоклітинного обміну майже співпадають. Загальний обмін складається з проміжного і внутрішньоклітинного. Специфічними функціями обміну речовин є вбирання (акумуляція) енергії з навколишнього середовища, яка потрапляє у формі хімічних сполук або у вигляді енергії сонячного випромінювання і перетворення екзогенних сполук для синтезу біополімерів, властивих даному організму, та вилучення енергії. Енергія необхідна для процесів синтезу і виконання різних специфічних функцій, властивих живому, для росту, розвитку, руху, секреції, подразливості, скоротливості.
Обмін речовин складається з фізіологічних (травлення, всмоктування, виділення) і фізичних (сорбція, дифузія, осмос), хімічних (окислення, відновлення, гідроліз, фосфороліз) процесів, які здійснюються при проміжному та внутрішньоклітинному обміні. Особливе місце серед них належить хімічним перетворенням органічних сполук, різноманітність яких зводиться до двох основних реакцій – синтезу та розщеплення. Реакції синтезу відбуваються в напрямі ускладнення молекул, що приводить до перетворення простих сполук на складніші. Це так звані анаболічні реакції (від лат. anabole – синтез). Реакції розщеплення характеризуються протилежним процесом – розщепленням складних сполук з утворенням простіших. Це так звані катаболічні реакції (від лат. katabole – розклад), тобто обмін речовин можна розглядати як діалектичну єдність двох протилежних і взаємопов'язаних процесів – розщеплення і синтезу – асиміляції і дисиміляції.
Асиміляція – це частина загального обміну, що супроводжується поглинанням органічних сполук з навколишнього середовища, засвоєнням, перетворенням та синтезом за їх рахунок різних структур організму. Цей процес включає численні хімічні реакції та перетворення органічних сполук, які забезпечують використання організмом поживних речовин. Асиміляція супроводжується анаболічними реакціями, які забезпечують синтез складних органічних сполук. Основними анаболічними реакціями є реакції відновлюючого синтезу, які супроводжуються використанням енергії, тобто є ендергонічними.
Дисиміляція – це частина загального обміну, в процесі якого відбувається руйнування та розщеплення складних органічних сполук, які потрапляють з продуктами харчування, та тих, що входять до складу власних структур організму – білків, вуглеводів, ліпідів з утворенням простіших сполук та кінцевих продуктів обміну. Органічні сполуки, що потрапляють з продуктами харчування, перетворюються за участю численних ферментів до простіших сполук. Певна послідовність ферментативних перетворень називається метаболізмом (від лат. metabole – перетворення). Речовини, що утворюються в процесі метаболізму, називаються метаболітами. Інколи поняття метаболізм ототожнюється з поняттям обміну, оскільки з хімічної точки зору метаболізм – це сукупність різноманітних ферментативних реакцій окислення, відновлення, гідролізу та ін.
Для дисиміляції характерні катаболічні реакції, які супроводжуються виділенням енергії, тобто є екзергонічними. Основними катаболічними реакціями, що здійснюються при дисиміляції, є гідроліз, фосфороліз та окислення.
У процесі еволюції в живих організмах сформувались певні регуляторні механізми, які забезпечують високий ступінь упорядкованості та узгодженості процесів, що в них здійснюються. Дані регуляторні механізми діють на різних рівнях – клітинному, метаболічному, організменному – і є спільними для всіх живих організмів. Координація та взаємоузгодженість процесів асиміляції і дисиміляції, інтенсивність та направленість біохімічних перетворень переважно регулюються шляхом зміни активності ферментних систем та за участю інших регуляторних механізмів (нервових та гуморальних), що забезпечує динамічну рівновагу між організмом та навколишнім середовищем.
Обмін речовин в організмі тісно пов'язаний з обміном енергії. Постійне надходження та використання енергії є необхідною умовою існування живих організмів як відкритих систем. За рахунок надходження енергії забезпечується підтримання стабільного, впорядкованого стану живої системи, що запобігає дезорганізації, хаосу та її загибелі.
Залежно від способу вилучення енергії всі живі організми поділяють на фото- і хемотрофи. Фототрофи у вигляді джерела енергії використовують енергію квантів світла (зелені рослини, водорості, деякі бактерії). Дані організми синтезують складні органічні сполуки з неорганічних (СО2 і Н2О) за рахунок енергії сонячного випромінювання, тобто вони здатні до сприймання і перетворення енергії електромагнітних коливань потоку сонячного випромінювання на енергію хімічних зв'язків органічних сполук. За типом живлення дані організми належать до аутотрофних (від грец. aytos – сам, trofos – живлення). Хемотрофні організми у вигляді джерела енергії використовують енергію окислення органічних чи неорганічних сполук. У першому випадку їх відносять до органотрофів, а в другому – до літотрофів. За типом живлення хемотрофні організми є гетеротрофами (від грец. heteros – інший і trofos – живлення). Гетеротрофи не можуть синтезувати складні органічні сполуки з неорганічних і використовувати їх в готовому вигляді. До гетеротрофів належать організми людини, тварин та деякі мікроорганізми.
Обмін енергії включає такі процеси, як виділення, перетворення, акумулювання та використання енергії організмом, тобто обмін речовин в організмі супроводжується постійним обміном енергії завдяки тісному взаємозв'язку анаболічних реакцій, характерних для асиміляції, та катаболічних реакцій, характерних для дисиміляції.
Анаболічні реакції, як і катаболічні, складаються з кількох стадій. Синтез складних органічних сполук починається з простих метаболітів, що утворюються в процесі розкладання. При цьому спочатку синтезуються прості сполуки (мономери), які далі перетворюються підчас складних ферментативних реакцій на важливі біополімери клітини – білки, вуглеводи, ліпіди. Синтез складних органічних сполук відбувається з використання енергії АТФ. Тісний взаємозв'язок між анаболічними і катаболічними реакціями здійснюється на кількох рівнях: 1) на рівні джерел вуглецю (кінцеві продукти катаболізму часто є вихідними сполуками анаболічних реакцій); 2) на рівні відновних еквівалентів (при аеробному окисленні нагромаджуються відновні еквіваленти, які використовуються для відновлюючого синтезу складних органічних сполук); 3) на енергетичному рівні (при катаболізмі виділяється та нагромаджується (акумулюється) енергія, яка може бути використана для процесів синтезу).
Анаболічні та катаболічні реакції спряжені за рахунок так званих амфіболічних (об'єднуючих) шляхів метаболізму, одним з яких є цикл Кребса. Треба зазначити, що анаболічні та катаболічні реакції на окремих етапах не співпадають і каталізуються різними ферментними системами.
В організмі існує тісний взаємозв'язок між процесами звільнення та використання енергії. Основна маса енергії, акумульованої в хімічних зв'язках органічних сполук, виділяється при катаболізмі на другому і третьому етапах (анаеробне та аеробне окислення). Однак виділена енергія не використовується безпосередньо для потреб організму, а попередньо перетворюється на доступну форму. Такою універсальною сполукою є АТФ, яка може бути в ролі донора, акцептора та трансформатора енергії. Однак енергія окислення органічних сполук на АТФ не передається, оскільки в клітині безпосередня передача енергії від низько- до високоенергетичних сполук не відбувається. Цей процес здійснюється за участю посередників – макроергічних сполук, які утворюються під час окислення субстратів, і нагромаджують енергію окислення в макроергічних зв'язках.
Макроергічні зв'язки – це зв'язки, при перетворенні яких рівень зміни вільної енергії становить понад 20 кДж/моль. Макроергічні зв'язки позначають знаком тільда (~).
Лекція № 2. Біогенні вуглеводи.
Загальна характеристика, будова та функції вуглеводів
Вуглеводи – органічні сполуки, які найчастіше складаються з трьох хімічних елементів – вуглецю, водню і кисню. Відомі багато сполук, що містять, окрім цих трьох елементів, також фосфор, сірку і азот.
Вуглеводи широко поширені в природі. Вони утворюються в рослинах у результаті реакцій фотосинтезу і складають 80 – 90% їх сухої маси. В організмі тварин вуглеводи піддаються механічній і хімічній переробці. В середньому в організмі тварин міститься 1 – 2% вуглеводів в перерахунку на суху речовину.
Значення вуглеводів багатогранно. Так, вони є основою структури рослинної клітини, використовуються в енергетичних процесах і відкладаються у вигляді запасних поживних речовин (крохмаль). В організмі тварин і людини є головним джерелом хімічної енергії. Окремі органи задовольняють свої потреби в основному в результаті розщеплення глюкози: головний мозок – на 80%, серце – на 70 – 75%. Вуглеводи відкладаються в тканинах тваринного організму у вигляді запасних поживних речовин (глікоген). Деякі з них виконують опорні функції (гіалуронова кислота), беруть участь в захисних функціях, затримують розвиток мікробів (мукополісахариди слизу), служать хімічною основою для побудови молекул біополімерів, є складовими частинами макроергічних сполук і т.д.
За хімічними властивостями вуглеводи є альдегідо- і кетоспиртами. За будовою вуглеводи ділять на дві групи – прості, або моносахариди, і складні, або, полісахариди.
А. Моносахариди
Моносахариди класифікують за наявністю альдегідної або кетонної групи (альдози і кетози), числом вуглецевих атомів (тріози, тетрози, пентози, гексози і т.д.) і за хімічною природою (нейтральні і кислі цукри, аміноцукри).
Моносахариди – білі кристалічні речовини, добре розчинні у воді, солодкі на смак, оптично активні, вступають у хімічні реакції, характерні для альдегідо- або кетоспиртів, легко виявляються якісними і кількісними реакціями (Троммера, Селіванова, срібного дзеркала та ін.), піддаються різним видам бродіння. Окремим з них належить важлива роль в реакціях обміну речовин.
Тріози. Загальна формула – C3H6O3. За хімічними властивостями є альдегідо- і кетоспиртами:
Містяться в тканинах і біологічних рідинах у вигляді складних ефірів з ортофосфорною кислотою, як продукти проміжного обміну вуглеводів при реакціях гліколізу і бродіння.
Тетрози. Загальна формула – C4H8O4. За хімічними властивостями діляться на альдози і кетози. Найбільше значення має еритроза, яка міститься в тканинах у вигляді ефіру з ортофосфорною кислотою – продукту пентозного циклу окислення вуглеводів:
Пентози. Загальна формула – C5H10O5 (за винятком дезоксирибози, формула якої C5H10О4). Більшість пентоз утворюється в харчовому каналі тварин у результаті гідролізу пентозанів рослин:
nH2O + (C5H8O4)n ® nC5H10O5
Частина пентоз утворюється в результаті проміжного обміну (пентозному циклі). В тканинах пентози знаходяться у вільному стані, у вигляді ефірів ортофосфорної кислоти, входять до складу макроергічних сполук (АТФ), нуклеїнових кислот, коферментів (НАДФ, ФАД) та інших біологічно важливих сполук. До них належать:
Пентози в тканинах найчастіше знаходяться в циклічній формі, яку прийнято зображати формулами Коллі-Толленса або Хеуорса:
L(+)-Aрабіноза. Входить до складу плодів, є продуктом гідролізу бурякового жому, рослинного слизу, пектинових речовин, геміцелюлози, гуміарабіку, полісахаридів деяких бактерій (туберкульозної палички). Оптично активна (+105,5°).
D(+)-Ксилоза. Утворюється в харчовому каналі при гідролізі ксиланів, полісахаридів соломи, кукурудзи, висівок та ін. Знайдена у складі полісахаридно-білкових комплексів тканин. Використовується як поживне середовище при вирощуванні кормових дріжджів. Оптично активна ( + 18,8°).
D(+)-Pибоза. Як і інші моносахариди, існує у вигляді двох оптичних антиподів (D і L) і неактивного рацемата. Особливістю рибози є високий вміст (8,5%) ациклічної форми. Обов'язкова складова частина РНК, нуклеотидів, нуклеозидів, деяких коферментів і бактерійних полісахаридів. Утворюється в травному тракті при гідролізі цих речовин, в тканинах – у результаті функціонування пентозного циклу. Оптично активна (+23,7°).
D(+)-Дезоксирибоза. Є обов'язковою складовою частиною ДНК. Утворюється в харчовому каналі при гідролізі кормів, багатих на ДНК, а також в результаті розщеплення гексоз в пентозному циклі. Оптично активна (a-D(+)-рибоза – +55°, b-D(+)-рибоза –58°).
D(+)-Ксилулоза. Утворюється в тканинах при пентозному циклі. Виявляється у вигляді ксилулозо-5-фосфата, донатора двовуглецевих груп у міжмолекулярних реакціях проміжного обміну вуглеводів. Бере участь в біосинтезі нуклеїнових кислот.
Гексози. Загальна формула гексоз – C6H12O6. Зустрічаються у вільному стані, у складі різних полісахаридів та інших сполук. Діляться на альдо- і кетогексози. У водних розчинах існують у вигляді декількох таутомерних (ациклічних і циклічних) D- і L-форм, а також рацематів. В природі переважають D-форми:
Циклічна форма виникає в результаті таутомерії ациклічної форми моносахариду і зображається у вигляді п’ятичленних (фуранозних) або шестичленних (піранозних) кілець, а також в „перспективному вигляді”:
У результаті таутомерії утворюється глюкозидний гідроксил, який володіє високою реакційною здатністю. Альдогексози і альдопентози можуть існувати в п'яти різних ізомерних формах, наприклад:
D(+)-Глюкоза. Широко поширена в природі. Зустрічається у вільному і зв'язаному станах. Входить до складу овочів і фруктів. Виноград містить 17 – 20% глюкози (звідси назва виноградний цукор). Складова частина оліго- і полісахаридів. Глюкоза поступає в організм у складі кормів, утворюється при гідролізі складних вуглеводів і в результаті неоглікогенеза. Глюкоза – обов'язкова складова частина крові людини і тварин. Розчини глюкози використовуються в медицині і ветеринарії для внутрішньовенних ін'єкцій.
Глюкоза існує у вигляді a-D(+)- і b-D(+)-глюкози (питоме обертання +113 і +19°), а також рацемата двох правих ізомерів (питоме обертання +52,7°) у водному розчині. В організмі тварин знаходяться похідні глюкози – глюконова і глюкуронова кислоти, глюкозамін, а при окисленні глюкози азотною кислотою утворюється цукрова кислота.
Фосфорні похідні глюконової кислоти є проміжними продуктами пентозного циклу, глюкуронова кислота зустрічається у вільному стані в крові і сечі, бере участь в нейтралізації отруйних продуктів обміну речовин (фенолу, скатолу, індолу та ін.), які виводяться з сечею у вигляді парних сполук. Крім того, глюкуронова кислота входить до складу мукополісахаридів. D-Глюкозамін є складовою частиною глікопротеїдів, мукополісахаридів і хітину.
D(+)-Галактоза. Зазвичай утворюється в результаті гідролізу в харчовому каналі оліго- і полісахаридів їжі. Входить до складу лактози, галактогена, мукопротеїдів, деяких ліпідів і бактерійних полісахаридів. Оптично активна (питоме обертання a-D(+)-галактози – +80,2°). Зброджується лактозними дріжджами. Може служити сировиною для перетворення в глюкозу або у вітамін С. При окисленні галактози утворюється галактуронова кислота – складова частина камеді, слизу, пектинових речовин. При взаємодії галактози і аміаку утворюється галактозамін, з якого синтезується хондроітинсірчана кислота. Похідними галактози є галактонова і слизова кислоти:
Галактоза є поживним середовищем для деяких мікробів. Використовується в кондитерській промисловості.
D(+)-Mаноза. У вільному стані зустрічається рідко (в плодах цитрусових, анакардієвих і каринокарпових). В організмі тварин утворюється в результаті гідролізу мананів кормів. Маноза – складова частина полісахаридів деяких бактерій, дріжджів і цвілевих грибів; входить до складу слизу харчового каналу, слини, глікопротеїдів крові. В природі існує у вигляді D(+)-форми. Питоме обертання манози – +14,2°. Зброджується дріжджами. Використовується як поживне середовище для деяких мікроорганізмів.
D(–)-Фруктоза. У вільному стані зустрічається у фруктах, овочах і, особливо, в медові (40 – 42%). Є складовою частиною сахарози, стахіози і фруктозанів. В організмі тварин утворюється в результаті гідролізу складних цукрів у харчовому каналі. В тканинах може таутомеризуватися в глюкозу і інші моносахариди, необхідні для організму. Її ефіри (фруктозо-6-фосфат і фруктозо-1,6-дифосфат) є проміжними продуктами вуглеводного обміну. Обертає площину поляризованого світла вліво на –92° (тому її часто називають левулозою). Існує в ациклічній і циклічній формах:
Гептози. Загальна формула – C7H14O7. Діляться на альдози і кетози. Є складовою частиною деяких полісахаридів, зокрема, грамнегативних мікробів. Особливий інтерес представляють кетогептози, знайдені в листі деяких рослин, в проміжних продуктах фотосинтезу і пентозного циклу:
Похідні моносахаридів. Серед похідних моносахаридів важливу групу сполук становлять аміноцукри.
Аміноцукри. Це похідні вуглеводів, які утворюються в результаті заміщення однієї або кількох гідроксильних груп аміногрупою. В організмах людини і тварин часто зустрічаються гексозамінопохідні глюкози (глюкозамін) і галактози (галактозамін) (див. вище). Аміноцукри входять до складу так званих гетеро полісахаридів – гепарину, гіалуронової кислоти, хондроітинсірчаної кислоти, а також до складу глікопротеїдів.
Аміноцукри – кристалічні речовини, добре розчинні у воді. Вони є сильними основами. При взаємодії з кислотами утворюють стійкі солі. При взаємодії з лугами і азотною кислотою вони не піддаються дезамінуванню.
Важливе значення в організмі мають похідні аміносахарів – нейрамінова і сіалові кислоти та деякі інші.
Нейрамінова кислота. Утворюється в результаті альдольної конденсації гексозаміну і піровиноградної кислоти. Оскільки нейрамінова кислота містить дев'ять вуглецевих атомів, то її ще називають нонулозаміновою кислотою. Нейрамінова кислота існує в ациклічній і циклічній формах.
Нейрамінова кислота міститься майже в усіх органах і тканинах організму людини і тварин. Вона входить до складу глікопротеїдів, гліколіпідів, білків сироватки крові.
При окремих патологічних станах вміст нейрамінової кислоти в тканинах і рідинах організму значно змінюється. Так, при інфекційних і психічних захворюваннях, захворюванні на рак вміст нейрамінової кислоти значно підвищується.
Нейрамінова кислота – нестійка сполука, її часто добувають у вигляді метилглікозиду і сіалових кислот м'яким кислотним або ферментативним гідролізом таких природних сполук, як орозомукоїди крові, овомуцин яйця, трисахарид молока – нейрамініллактоза і гангліозиди.
Сіалові кислоти – це ацильні похідні нейрамінової кислоти. Залежно від природи кислоти, кількості кислотних залишків, приєднаних до нейрамінової кислоти, місця їх приєднання розрізняють кілька видів сіалових кислот. Якщо залишок відповідної кислоти приєднується до азоту амінної групи нейрамінової кислоти, то таку сіалову кислоту називають N-ацилнейраміновою кислотою. У тих випадках, коли залишок якоїсь кислоти приєднується до азоту амінної групи і до кисню гідроксильної групи нейрамінової кислоти, тоді сіалову кислоту називають N,О-діацилнейраміновою:
В організмі найчастіше містяться N-ацетилнейрамінова, N,О-діацетилнейрамінова і N-гліколілнейрамінова кислоти. У першому і другому випадках нейрамінова кислота зв'язана з залишком оцтової кислоти, у третьому – з залишком гліколевої кислоти.
Сіалові кислоти виявлені в усіх тканинах і рідинах організму. Вони входять до складу молекул олігосахаридів, нуклеотидолігосахаридів, гліколіпідів і глікопротеїдів. Цілий ряд ферментів і гормонів є глікопротеїдами, які містять сіалові кислоти.
Біологічна роль сіалових кислот вивчена ще дуже мало. Однак одержані на сьогоднішній день дані свідчать про те, що сіалові кислоти відіграють важливу біологічну роль у багатьох процесах. Так, доведено, що сіалові кислоти беруть участь у процесах збудження нервової тканини, транспорті іонів, перетворенні фібриногену на фібрин та ін. Наявність сіалових кислот у складі біополімерів зумовлює їх фізико-хімічні властивості, а в ряді випадків і біологічну активність. Наприклад, відщеплення сіалової кислоти від гормонів гонадотропіну й еритропоетину призводить до втрати ними біологічної активності. Припускають, що сіалові кислоти відіграють важливу роль у процесі взаємодії вірусу і клітини.
Встановлено, що при деяких захворюваннях – злоякісних пухлинах, променевій хворобі, ревматизмі вміст сіалових кислот у крові помітно підвищується. Тому визначення їх кількості в крові має важливе діагностичне значення.
Б. Полісахариди
Складні вуглеводи ділять на олігосахариди і власне полісахариди. Олігосахариди – це вуглеводи, молекули яких містять від 2 до 10 залишків молекул моносахаридів. Найбільший інтерес представляють ди-, три- і тетрасахариди.
Дисахариди (біози). Це вуглеводи, молекули яких при гідролізі розщеплюються на дві молекули гексоз.
Розрізняють дисахариди мальтозного (мальтоза, лактоза, целобіоза, гентибіоза, мелибіоза, тураноза) і трегалозного (трегалоза, сахароза) типів зв'язку. При мальтозному типі зв'язку молекула дисахарида утворюється з двох молекул моносахаридів через кисневий місток від глікозидного гідроксила одного моносахариду і гідроксила четвертого атома вуглецю другого моносахариду. При утворенні молекули дисахарида трегалозного типу зв'язку кисневий місток виникає за рахунок обох глікозидних гідроксилів. У молекулі дисахаридів мальтозного типу зберігається вільна напівацетальна гідроксильна група, яка може переходити в альдегідну форму, надаючи дисахариду відновлюючі властивості.
При найменуванні дисахаридів за звичай користуються назвами (лактоза, мальтоза, сахароза), що історично склалися, рідше – раціональними і за номенклатурою ЮПАК. Наприклад, за номенклатурою ЮПАК лактозу слід називати 4-О-b-D-галактопіранозил-a-D-глюкопіраноза.
Для відновлюючих дисахаридів характерні всі хімічні реакції, які типові для альдоз і кетоз, що мають вільний глікозидний гідроксил (відновлення Фелінгової рідини, реакція Троммера та ін.). Дисахариди – тверді кристалічні речовини, добре розчинні у воді, оптично активні, солодкі на смак, здатні до кислотного або ферментативного гідролізу, можуть утворювати прості і складні ефіри, сахарати та ін.
Мальтоза (солодовий цукор). Відноситься до дисахаридів типу глікозидо-глюкози. Молекула мальтози складається з двох залишків a-D-глюкопіранози, які сполучені між собою в положенні 1,4:
Мальтоза у вільному стані міститься в пророслих зернах ячменю (солоді), жита, пшениці і інших злаків, а також в томатах і нектарі багатьох рослин. Мальтоза є проміжним продуктом гідролізу крохмалю, глікогену та деяких інших полісахаридів в харчовому каналі. Питоме обертання мальтози +136°. Легко піддається спиртовому бродінню з утворенням етанолу.
Лактоза (молочний цукор). Молекула лактози утворена залишками D-галактози і D-глюкози. Існує у вигляді a- і b-форм. Є обов'язковою складовою частиною молока всіх ссавців. Входить до складу глікопротеїдів і гліколіпідів, а також деяких полісахаридів. Рівнозначна суміш a- і b-форм має питоме обертання +52,2°. Існує в ациклічній і циклічній формах:
Одержують лактозу упарюванням молочної сироватки. Лактоза добре засвоюється організмом. В тонкій кишці під впливом ферменту лактази розщеплюється до галактози і глюкози. Піддається молочнокислому бродінню. Може використовуватись як наповнювач порошків і таблеток.
Целобіоза. Як проміжний продукт гідролізу клітковини утворюється в харчовому каналі травоїдних тварин (особливо в передшлунках жуйних) під впливом бактерійного ферменту целюлази. Молекула целобіози складається із залишків a- і b-глюкоз. Раціональна назва – b-глюкозидоглюкоза, за номенклатурою ЮПАК – 4-О-b-D-глюкопіранозил-D-глюкоза або О-b-D-глюкопіранозил-(1®4)-b-D-глюкопіраноза. У вільному стані целобіоза знайдена в пророслих зернах злаків, кісточках абрикоса, патоці деяких дерев. Оптично активна, питоме обертання +34,6°. Існує в ациклічній і циклічній формах:
Трегалоза (мікоза, або грибний цукор). Міститься в тканинах грибів, сокові ясена, водоростях, лишайнику, гемолімфі черв'яків і комах, дріжджах. Є складовою частиною оболонки туберкульозної палички. Молекула трегалози складається з двох залишків D-глюкози, сполучених глікозидним зв'язком 1®1. Вона не відновлює фелінгової рідини і не вступає в інші реакції, характерні для дисахаридів які мають глікозидний гідроксил. При гідролізі (ферментативному і кислотному) розщеплюється до глюкози. Дисахарид існує в циклічній формі.
Сахароза (буряковий, або очеретяний, цукор). Міститься у всіх зелених рослинах. Утворюється в результаті реакції фотосинтезу в листі, потім відкладається в бульбах, коренях, цибулинах, стеблах, плодах. Багато сахарози в коренеплодах цукрового буряка (до 27%), сокові цукрового очерету і стеблах сорго (14 – 26%). Молекула сахарози складається із залишків глюкози і фруктози, сполучених між собою кисневим містком, який виникає за рахунок двох глікозидних гідроксилів:
За номенклатурою ЮПАК сахароза називається a-D-глюкопіранозил-b-D-фруктофуранозидом. Відноситься до невідновлюючих фелінгову рідину дисахаридів. Питоме обертання +66,53°. При гідролізі (ферментативному або кислотному) молекула сахарози розщеплюється на глюкозу і фруктозу. Виникає інвертний цукор, який обертає площину поляризації вліво. Питоме обертання інвертного цукру – 39,7°. Гідроліз сахарози відбувається в тонкій кишці під впливом ферменту інвертази (сахарази). Природним інвертним цукром є бджолиний мед (98 – 99% цукру). Сахароза – цінний продукт живлення. Використовується у фармакології для виготовлення порошків, мікстур і інших лікарських засобів. В акушерській практиці її застосовують для активізації скорочення матки.
Трисахариди. Загальна формула – C18H32O16. Найбільш поширена рафіноза, що складається із залишків галактози, глюкози і фруктози (О-a-D-галактопіранозил-(1®6)- a-D-глюкопіранозил-b-D-фруктофуранозид). Міститься в цукровому буряці, насінні бавовника, зародках насіння злаків, манні евкаліпта і інших рослинах. Високий відсоток рафінози міститься в мелясі. Оптично активна (+105,2°). В харчовому каналі тваринного організму молекула трисахариду розщеплюється двома ферментами – a-галактозидазою (відщеплює залишок галактози) і інвертазою (розщеплює глікозидний зв'язок між залишками глюкози і фруктози):
Тетрасахариди. Загальна формула – С24Н42О21. Прикладом тетрасахаридів є стахіоза, невідновлюючий резервний вуглевод рослин, який складається з двох залишків галактози, залишку глюкози і залишку фруктози. За номенклатурою ЮПАК стахіоза називається О-a-D-галактопіранозил-(1®6)-О-a-D-галактопіранозил-(1®6)-О-a-D-глю-копіранозил-(1®2)-b-D-фруктофуранозид. Міститься в насінні жовтого люпину, гороху, сої, чечевиці, бульбах земляної груші, манні ясена, буряковому жомі. Служить донором і акцептором галактози в реакціях трансглікозилювання.
Власне полісахариди ділять на гомо- і гетерополісахариди.
Гомополісахариди (C6H10O5)n. Вуглеводи, молекули яких побудовані з великого числа залишків одного моносахариду: глюкоза, фруктоза, маноза, ксилоза та ін. Вони є запасними поживними речовинами (крохмаль, глікоген, інулін), служать структурною основою тканин (клітковина), виконують захисні функції (хітин). Для гомополісахаридів характерна велика молекулярна маса і складні фізико-хімічні властивості. За хімічною будовою вони є поліглікозидами – їх молекули утворюються у результаті з'єднання мономерів за допомогою глікозидних зв'язків в лінійні або розгалужені ланцюги. Залежно від хімічної природи мономерів гомополісахариди класифікують на ряд груп: глюкани, манани, галактани, фруктани, ксилани, арабінани. Найбільший практичний інтерес представляють крохмаль, глікоген, інулін, клітковина.
Крохмаль – утворюється в результаті реакцій фотосинтезу в клітинних органеллах (хлоро- і амілопластах) рослин, відкладається у вигляді запасних поживних речовин в листі, стеблах, цибулинах, бульбах і насінні. В клітинах виявляється у вигляді зерен різної форми (овальної, сферичної, неправильної), величини і шаруватості. Вміст крохмалю в зерні рису досягає 80%, пшениці – 75, кукурудзи – 72, жита – 70, ячменю – 65, вівса – 58, проса – 57, в бульбах картоплі – 12 – 25%. Зерна крохмалю містять деяку кількість білка, ліпідів, жирних кислот, мінеральних солей і фосфорної кислоти.
Крохмаль – білий аморфний порошок, не розчиняється в холодній воді, з йодом дає синє забарвлення, у воді набухає, при нагріванні водного розчину крохмальні зерна лопаються, утворюючи клейстер. Водні розчини крохмалю здатні обертати площину поляризованого світла управо на 196 – 205°.
Крохмаль складається з двох фракцій: амілози (має лінійну будову) і амілопектина (має розгалужену будову). Амілоза складає 10 – 30%, амілопектин – 70 – 90% загальної маси крохмалю. Вміст обох фракцій в крохмалі залежить від виду і сорту рослини, погодних умов, термінів збирання врожаю і т.д. В деяких сортах кукурудзи вміст амілози в крохмалі досягає 82%. Крохмаль яблук повністю складається з амілози. Амілоза і амілопектин відрізняються між собою деякими властивостями, кількісним складом мономерів і структурою молекули.
Молекула амілози складається з 200 – 1000 залишків глюкози, сполучених між собою глікозидними зв'язками по типу 1,4:
Молекулярна маса амілози – 20 тис. – 1 млн. Амілоза легко розчиняється у воді. При додаванні розчину йоду забарвлюється в темно-синій колір.
Амілопектин в гарячій воді утворює клейстер, після охолодження – гелеподібну масу. З розчином йоду дає червоно-фіолетове забарвлення. Молекула амілопектину побудована з 5000 – 6000 залишків глюкози, сполучених між собою по типу 1,4 і 1,6:
Молекулярна маса амілопектина – від 100 тис. до декількох мільйонів. На кожне розгалуження в середньому доводиться 8 – 10 залишків глюкози. На відміну від амілози, для якої характерна ниткоподібна форма, молекула амілопектина має сферичну конфігурацію.
Крохмаль може піддаватися кислотному і ферментативному гідролізу. Так, в харчовому каналі під впливом ферментів амілази і мальтази молекула крохмалю розщеплюється до декстринів, мальтози і глюкози. Калорійність крохмалю висока – близько 4 ккал/г.
Крохмаль – цінний продукт живлення, використовується також для виготовлення лікарських препаратів і в побуті.
Глікоген – тваринний крохмаль, найважливіша резервна речовина тканин і клітин організму людини і тварин. Найбільше глікогену міститься в тканинах печінки (2 – 10% загальної маси), скелетних м'язах (0,2 – 2 %), дещо менше – в інших органах і тканинах.
Глікоген – біла аморфна речовина, добре розчиняється в гарячій воді, розчин опалесціює, обертає площину поляризованого світла на +196°. З розчином йоду дає забарвлення від червоно-фіолетового до червоно-коричневого. Молекула глікогену побудована з 2400 – 300000 залишків глюкози. Молекулярна маса глікогену коливається від 400 тис. до 50 млн.
Молекула глікогену має гіллясту будову. Де залишки a-D-глюкози сполучені між собою по типу 1,4 і 1,6 (на 12 зв'язків 1,4 в середньому доводиться один 1,6 зв'язок).
Глікоген є сумішшю декількох полісахаридів з різним ступенем полімеризації. Будова молекули глікогену у тварин, що належать до різних типів і класів, різна. В харчовому каналі глікоген розщеплюється ферментами амілазою і мальтазою до a-D-глюкози. Розкладання тканинного глікогену найчастіше відбувається фосфоролітично.
Інулін – природний полімер фруктози. Резервний енергетичний полісахарид багатьох сімейств рослин: фіалкових, складноцвітих, лобелій, лілійних та ін. Багато інуліна знаходять в бульбах топінамбура (земляної груші) і жоржини – до 40 – 80% загальної сухої маси. Молекула інуліна побудована із залишків фруктози (94 – 97%) і глюкози (3 – 6%), які сполучені між собою по типу 1,2 зв'язку:
Інулін – біла аморфна речовина, солодка на смак, добре розчиняється в теплій воді, обертає площину поляризованого світла на –39°, має молекулярну масу 5 – 6 тис., добре засвоюється організмом людини і тварин. Цінна кормова речовина. Іноді (при цукровому діабеті) застосовується з лікувальною метою як замінник крохмалю, сахарози і глюкози.
Клітковина, або целюлоза, – полісахарид – основа оболонок рослинних клітин. У деревині міститься разом з геміцелюлозами, зокрема з пентозанами і лігніном. Клітковина – головна складова частина рослинних кормів. У листі рослин міститься до 30%, деревині – до 40 – 70, у волокні бавовни – до 95 – 98% чистої клітковини.
Молекула клітковини складається із залишків a- і b-D-глюкози, сполучених між собою глікозидними зв'язками по типу 1,4. Структурною одиницею полісахариду є целобіоза. Її кількість в молекулі досягає великих величин – 3 – 6 тис., що відповідає молекулярній масі 10 – 20 млн. Молекула клітковини – лінійний полімер:
Клітковина – біла волокниста речовина, без смаку, запаху, не розчиняється у воді. Спеціальних ферментів, що розщеплюють клітковину, організм людини і тварин не виробляє. В харчовому каналі (в передшлунках жуйних і ободовій кишці непарнокопитних) клітковина гідролізується під впливом бактерійних ферментів (целюлази і целобіази) до a-D- і b-D-глюкози. Останні піддаються різним видам бродіння та іншим перетворенням, після чого використовуються для структурних і енергетичних потреб організму. Клітковина є своєрідним подразником шлунково-кишкової секреції.
Клітковина широко використовується в будівництві, деревообробній і текстильній промисловості, при виробництві паперу, фото- і кіноплівок, штучних волокон, пластмас, ін.
Гетерополісахариди. Це складні вуглеводи, молекули яких побудовані із залишків різних моносахаридів, їх похідних та інших сполук. В організмі виконують різні функції: опорні (хондроітинсірчана кислота, капсулярні полісахариди мікробів), регулюють надходження поживних речовин в тканини і клітини (гіалуронова кислота), захищають організм і його тканини від різних шкідливих чинників (гепарин) і т.д. Гетерополісахариди ділять на мукополісахариди – складні вуглеводи слизового характеру – і глюкополісахариди. У свою чергу мукополісахариди ділять на кислі і нейтральні.
З кислих мукополісахаридів розглянемо гіалуронову, хондроітинсірчану кислоти і гепарин.
Гіалуронова кислота. Це гетерополісахарид, побудований із залишків молекул глюкуронової, оцтової кислот і глюкозаміна. Структурною одиницею вуглеводу є a-глюкуронідо-N-ацетилглюкозамін:
Молекулярна маса вуглеводу коливається від 200 тис. до декількох мільйонів. Гіалуронова кислота є хімічною основою склоподібного тіла ока, пупкового канатика, сіновії, оболонки яйцеклітини, капсул деяких мікробів, її багато в клітинах деяких пухлин і т.д. Розчини гіалуронової кислоти дуже в'язкі. В тканинах виконує роль склеюючої, „цементуючої” речовини, служить бар'єром, що оберігає клітини від проникнення в них мікробів і отруйних речовин, бере участь в регуляції надходження води та інших сполук в клітини, як поліелектроліт регулює обмін іонів. Полісахарид характеризується високим ступенем метаболізму – період напіврозпаду його молекули рівний двом дням. Обмін гіалуронової кислоти порушується при багатьох патологічних станах: мікседемі, ревматизмі, бактерійних інфекціях.
Хондроітинсірчана кислота – продукт полімеризації N-ацетилгалактозамінсульфата і глюкуронової кислоти, сполучених між собою b-1,3- і b-1,4-глікозидними зв'язками:
Хондроітинсірчана кислота – обов'язкова складова частина хрящів (до 40% сухої маси), кісток, основної речовини сполучної тканини, серцевих клапанів, стінок кровоносних судин, шкіри та ін. В організмі виконує опорні функції. Її молекулярна маса – 50 – 200 тис., в комплексі з колагеном – 40 – 50 млн. Бере участь в іонному обміні і регуляції надходження поживних речовин у клітини. Період напіврозпаду молекул кислоти в основній речовині шкіри – 8, хряща – 16 діб.
Гепарин – мукополісахарид, молекула якого утворена залишками a-D-глюкозаміна, глюкуронової і сірчаної кислот.
Молекулярна маса гепарина – 15 – 20 тис. Гепарин – білий аморфний порошок, розчинний у воді, стійкий до нагрівання. В організмі виробляється тучними клітинами і частково базофілами. Пригнічує утворення тромбокінази та інактивує тромбін, знижує вміст в крові холестерину, знижує артеріальний тиск. Багато гепарина міститься в тканинах печінки (до 100 мг на 1 кг маси), дещо менше – в тканинах легень, селезінки, щитовидної залози, м'язів. Натрієва сіль гепарина застосовується як антикоагулянт при переливанні крові і тромбозах.
Нейтральні мукополісахариди – це складні вуглеводи, побудовані із залишків нейрамінової і сіалових кислот. Зустрічаються у всіх органах і тканинах, секретах і сльозах. Знаходяться у вигляді сполук з білками. Їх вміст в тканинах набагато більший, ніж кислих мукополісахаридів. Вивчені недостатньо. Служать компонентами різних „нейтральних” муко- і глікопротеїдів, у тому числі багатьох ферментів і гормонів. Деякі з нейтральних мукополісахаридів визначають для організму групу крові.
Глюкополісахариди мають схожу будову з кислими мукополісахаридами, але в їх молекулах відсутні залишки молекули гексозаміна. Представником глюкополісахаридів є пектинові речовини.
Пектинові речовини – це високомолекулярні сполуки, побудовані із залишків молекул галактуронової кислоти і метилового спирту:
Містяться в бульбах і стеблах рослин, в ягодах і фруктах у вигляді нерозчинної комплексної сполуки – протопектину. Останній перетворюється на пектин під впливом розбавлених розчинів кислот або ферменту протопектинази. Ними особливо багатий цукровий буряк і морква (2,5%). Молекулярна маса пектину – 20 – 50 тис. Пектинові речовини використовуються в хлібопеченні, кондитерській і консервній промисловості, в сироварінні, при виготовленні кровоспинних засобів і як антисептик. Сировиною для їх отримання служить лушпиння соняшників, жом та ін.
Специфічні полісахариди мікробів. Ці полісахариди складають основу капсул деяких мікробів або є продуктами їх життєдіяльності. Прикладом є леван, молекула якого побудована із залишків метильованої фруктофуранози.
До складу організмів входять і інші полісахариди, хімічна будова яких була вивчена недостатньо.
Агар-агар. Цей високомолекулярний вуглевод зустрічається в багатьох водоростях, які використовуються у харчових і кормових цілях. Молекула складається з двох полісахаридів – агарози і агаропектина, а також домішок деяких інших сполук. Елементарними одиницями є D- і L-галактопіранози, сполучені між собою 1,3-глікозидними зв'язками. Використовується в мікробіології для виготовлення поживних середовищ і в кондитерській промисловості.
Геміцелюлоза. Це – полісахарид, супутний клітковині. Молекулярна маса коливається від 1 до 12 тис. Міститься в деревині, соломі, висівках (6 – 27%). Залежно від того, які моносахариди входять до складу вуглеводу, геміцелюлози ділять на манани, галактани, арабани, ксилани. При гідролізі деяких геміцелюлоз утворюються уронові кислоти.
Гуміарабік – тверда прозора маса, що виділяється деякими видами акацій. При гідролізі утворюються галактоза, рамноза, арабіноза і глюкуронова кислота. Поліелектроліт. Молекулярна маса – 20 – 100 тис. Застосовується як ліки при отруєнні їдкими лугами і як емульгатор масляних емульсій.
Декстран – полісахарид бактерійного походження, полімер глюкози. Молекулярна маса вуглеводу досягає 10 млн. В лінійній частині молекули декстрана залишки глюкози сполучені між собою 1,6-, в бічних відгалуженнях – 1,4-, 1,3- і 1,2-глікозидними зв'язками. Полісахарид одержують при культивуванні на штучних середовищах мікробів роду Leuconostos. Застосовується в медицині як замінник плазми. Використовується в хроматографії. В організмах зустрічаються також і інші полісахариди: трагакант, карайя, альгін, ін.
Лекція № 3 . Біогенні ліпіди.
Загальна характеристика, будова та функції ліпідів
Ліпідами називають жири і жироподібні речовини. Містяться вони у всіх живих клітинах і виконують ряд життєво важливих функцій: структурну, метаболічну, енергетичну, захисну. При розкладанні багатьох ліпідів вивільняється велика кількість хімічної енергії у вигляді макроергічних сполук.
Ліпіди не розчиняються або слабо розчиняються у воді, добре розчиняються в органічних розчинниках. Більшість ліпідів є похідними спиртів, вищих жирних кислот або альдегідів. Хімічні властивості і біологічне значення ліпідів визначаються наявністю в їх молекулах неполярних вуглецевих ланцюгів і полярних груп: –COOH, –ОН, –NH2 та ін. Це дає можливість їм бути поверхнево активними, брати участь в проникності клітинних мембран, легко розчинятися в органічних розчинниках, бути розчинниками для інших сполук (наприклад, вітамінів А, D, E, К, Q, F та ін.).
Розрізняють дві групи ліпідів: прості і складні. Молекули простих ліпідів утворюються із залишків спиртів (гліцерину, вищих або циклічних гліколів) і вищих жирних кислот. Це нейтральні жири, діольні ліпіди, стериди і воски. Молекули складних ліпідів складаються із залишків спиртів (гліцерину, сфінгозину, інозиту й ін.), вищих жирних кислот і інших речовин (азотистих основ, H3PO4, H2SO4, вуглеводів та ін.). До складних ліпідів відносяться фосфатиди, гліколіпіди, сульфатиди. Часто до ліпідів відносять моно- і дигліцериди, стерини, каротини й інші близькі до них речовини.
Нейтральні жири. Нейтральні жири є сумішшю тригліцеридів – складних ефірів, утворених трьохатомним спиртом гліцерином і вищими жирними кислотами:
Вищі жирні кислоти представлені насиченими, ненасиченими і циклічними карбоновими кислотами, а у ряді випадків – оксикислотами.
Насичені карбонові кислоти за звичай мають парне число атомів вуглеців, наприклад:
Масляна C3H7COOH
Капронова C5H11COOH
Лауринова С11Н23COOH
Пальмітинова С15Н31СООН
Стеаринова C17H35COOH
Мірисцинова C13H27COOH
Лігноцеринова 23Н47СООН
Мелісинова С27Н55СООН
Кислоти з непарним числом атомів вуглецю мають розгалужений вуглецевий ланцюг, наприклад валеріанова:
Ненасичені карбонові кислоти можуть мати від одного до чотирьох подвійних зв'язків, наприклад:
Пальмітоолєїнова CH3–(CH2)5–СН=СН–(CH2)7–СООН
Олеїнова CH3–(CH2)7–CH=CH–(CH2)7–COOH
Лінолева CH3–(CH2)4–CH=CH–CH2–CH=CH–(СН2)7–СООН
Ліноленова CH3–CH2–CH=CH–CH2–CH=CH–CH2–CH=CH–(СН2)7–СООН
Арахідонова
CH3–(СН2)4–CH=CH–CH2–CH=CH–CH2–CH=CH–CH2–CH=CH–(CH2)7–COOH
У складі жирів знайдені залишки циклічних кислот, наприклад, хаульмугрової:
і оксикислот, наприклад:
Церебронової CH3–(CH2)21–CH(OH)–COOH
Рицинолевої CH3–(CH2)5–CH(OH)–CH2–CH=CH–(CH2)7–COOH
Оксинервонової CH3–(CH2)7–CH=CH–(CH2)12–CH(OH)–COOH.
Тригліцериди бувають простими і складними. До складу молекули простого тригліцериду входять залишки однієї жирної кислоти, складного тригліцерида – двох або трьох жирних кислот:
Вміст простих тригліцеридів у жирах невисокий. Так, до складу свинячого сала зазвичай входять вісім різних тригліцеридів. З них прості тригліцериди – триолеїн і трипальмітин – складають всього 4%.
Жири широко поширені в тваринному і рослинному світі. У складі жирів тваринного походження переважають залишки насичених жирних кислот, що і визначає їх тверду консистенцію. Велике значення мають коров'яче масло, свиняче сало, баранячий і яловичий жир. Жири рослинного походження в своєму складі переважно містять залишки ненасичених жирних кислот і є рідинами (окрім пальмітинового масла). Найбільш часто використовуються соняшникова, оливова, льняна, мигдалева олія та ін.
У різних продуктах і кормах міститься неоднакова кількість жирів. В рослинах вони найбільше сконцентровані в насінні, менше – в плодах. Так, в насінні рицини міститься 58 – 78% жиру, рапсу – 36 – 40, льону – 28,9 – 49, соняшнику –29 – 57, зернах кукурудзи – 5, вівса – 3, пшениці – 1 – 1,8%.
В організмі тварин жири концентруються в основному в підшкірній клітковині (до 50%), сальнику, сполучнотканинних капсулах нирок і геніталіїв, у печінці і м'язовій тканині. Біологічні рідини бідні жирами. З них відносно високий відсоток жиру має молоко.
В організмі тварин жири виконують ряд життєво важливих функцій. Перш за все, жири є найважливішим джерелом хімічної енергії. Так, при тканинному окисленні 1 г жиру утворюється 9,3 ккал (1 г вуглеводів дає 4,3, білків – 4,1 ккал). Жири – найважливіше джерело ендогенної води: при окисленні 100 г жирів в тканинах утворюється 107,1 г води, що дуже важливо для тварин, які мешкають в південних широтах (наприклад, верблюдів), або для тих, які впадають в зимову сплячку (наприклад, бурих ведмедів). Жири – прекрасні розчинники органічних речовин, особливо жиророзчинних вітамінів. Беруть участь в терморегуляції, оскільки володіють низькою теплоємністю, захищають організм від механічних пошкоджень (входять до складу капсул серця, нирок, печінки, ока), обумовлюють еластичність шкіри.
Розрізняють резервні (запасні) і протоплазматичні (структурні) жири. Перші з них витрачаються організмом для різних потреб, про які йшлося вище. Другі є складовими частинами клітинних мембран, входять до складу ліпопротеїдних комплексів.
Жири – цінні продукти харчування людини і тварин. Рослинні масла, окрім харчових цілей і відгодівлі тварин (макуха), можуть використовуватися для виготовлення оліфи і лаків. Багато рослинних олій гідрогенізують, одержуючи потім різні сорти маргарину. Жири, що добуваються з печінки тріскових риб, використовують у медицині і тваринництві як джерело вітамінів А і D. Технічні жири, які одержують з тканин морських ссавців і риб, використовуються в легкій, парфумерній, хімічній промисловості і інших галузях народного господарства для виготовлення миючих засобів, піноносіїв, ін.
Якість і чистота жирів характеризуються фізичними і хімічними константами. До фізичних констант відносяться густина, температура плавлення і застигання, коефіцієнт рефракції (для рідких жирів). Хімічними константами є числа омилення, Рейхарда – Мейсля, йодне, кислотне і деякі інші показники (табл.1).
Число омилення визначається кількістю міліграмів розчину KOH, витраченого на нейтралізацію кислот, які утворюються при омиленні 1 г жиру.
Число Рейxapдa – Мейсля визначається кількістю 0,1 н. розчину NaОН, що пішов на нейтралізацію летючих жирних кислот (масляної, капронової і каприлової), які утворилися при гідролізі 5 г жиру і відігнались з водяною парою.
Йодне число характеризує наявність у складі жиру ненасичених жирних кислот і визначається кількістю грамів йоду, здатного приєднуватися до 100 г жиру.
Таблиця 1.
Фізичні і хімічні константи деяких жирів
|
Константи |
Вид жиру |
||
|
Яловичий |
Баранячий |
Свинячий |
|
|
Густина при 15°С, г/см3 |
0,923 – 0,933 |
0,932 – 0,961 |
0,931– 0,938 |
|
Температура плавлення °С |
42 – 52 |
44 – 55 |
36 – 46 |
|
Температура застигання °С |
27–38 |
32 – 45 |
26 – 32 |
|
Коефіцієнт заломлення (при 40 °С) |
1,4510–1,4583 |
1,4566 –1,4533 |
1,4536 |
|
Число омилення |
190 – 200 |
192 – 198 |
393 – 200 |
|
Число Рейхарда – Мейсля |
0,3 – 0,9 |
||
|
Йодне число |
32 – 47 |
31– 40 |
46 – 56 |
|
Кислотне число |
01– 0,6 |
0,1– 0,2 |
0,3 – 0,9 |
Кислотне число свідчить про наявність у складі жиру вільних жирних кислот, які утворилися при розкладанні його молекул. Воно визначається числом мілілітрів розчину KOH, що пішов на нейтралізацію вільних жирних кислот, які містяться в 1 г жиру.
Розглянуті константи залежать від зони проживання, умов живлення, віку, статі, породи тварини й інших чинників. Так, С.Л. Іванов встановив, що тварини одного і того ж виду, які мешкають в північних широтах, мають жири, для яких характерні більш низькі температури плавлення, ніж у тих же тварин, що проживають на півдні. У складі жирів перших переважають залишки насичених, других – насичених жирних кислот.
Діольні ліпіди. Ці ліпіди були відкриті в тканинах рослин і тварин радянським вченим Л.Д. Бергельсоном в 1967 – 1973 р. Є сумішшю різних складних ефірів, утворених з двоатомних спиртів (етандіола, пропандіола, бутандіола та ін.) і вищих жирних кислот. Загальна формула:
В організмі виконують ті ж функції, що і жири. Вивчені мало.
Стериди. Стеридами називають складні ефіри стеринів і вищих жирних кислот (найчастіше – пальмітинової). Стерини, або стероли, – високомолекулярні циклічні спирти, похідні циклопентанпергідрофенантрена. Останній можна розглядати як продукт конденсації гідратованого фенантрена і циклопентана:
Окремі кільця в структурі циклопентанпергідрофенантрена позначають буквами (А, Б, В і Г), а атоми вуглецю кілець – цифрами.
Стерини і стериди складають не здатну до омилення фракцію ліпідів. Широко поширені в природі. Входять до складу клітинних мембран. В організмі тварин стеридів міститься близько 10%.
В тканинах печінки вміст стеридів складає близько 50% загальної, маси всіх стеринів.
Залежно від походження розрізняють зоо-, фіто- і мікостерини. Похідними стеринів є багато стероїдних гормонів (статевих і кори наднирників), жовчних кислот, вітамінів групи D, стероїдних алкалоїдів, деяких тритерпенових антибіотиків, отрут шкірних залоз жаб, деяких канцерогенних речовин.
Стерини – кристалічні речовини, оптично активні, майже не розчиняються у воді, розчиняються в органічних розчинниках, безбарвні, здатні переганятися, вступають в хімічні реакції, характерні для спиртів.
Найбільший інтерес представляє холестерин і його похідні – холестериди, які є складними ефірами холестерину і вищих жирних кислот. Холестерин був відкритий в XVIII ст. Конраді при дослідженні жовчного каміння. Ним багата біла речовина мозку. За хімічною структурою холестерин – вторинний циклічний спирт:
Підраховано, що в тілі людини масою 70 кг міститься близько 140 г холестерину, з якого 10% сконцентровано в наднирниках, 2% – в нервовій системі, 0,25% – в кістках. Багато холестерину в печінці (від 0,333 до 0,91% загальної маси). Холестерин здатний утримувати певну кількість води, тому він бере участь в регуляції водного обміну. Холестерин з білками утворює комплексні сполуки.
З організму стерини виводяться головним чином у вигляді холестерину і копростерину:
У шкірі тварин і в не здатній до омилення фракції ліпідів знаходиться 7-дегідрохолестерин:
який є провітаміном вітаміну D3. Дріжджі містять ергостерин – провітамін вітаміну D2:
Воски. Велика група ліпідів, молекули яких утворені із залишків вищих жирних кислот і вищих одноатомних спиртів. Співвідношення вуглецю в кислотній і спиртовій частинах молекули воску складає 1:1 або 2:1. Натуральний віск містить домішки вільних жирних кислот і спиртів, вуглеводнів (C27–С33) і запашних речовин.
Розрізняють воски тваринного (бджолиний, ланолін, спермацет), рослинного (карнаубський, канделільський) походження, продукт виділення деяких комах (китайський), викопні (церезин і монтан) і синтетичні.
Бджолиний віск. Продукується восковими залозами бджіл. Складається з суміші складних ефірів (до 75%), вільних вищих жирних кислот і насичених вуглеводнів. Містить вітамін А і деякі інші речовини. Основа воску – складний ефір мірицилового спирту і пальмітинової кислоти:
Бджолиний віск не розчиняється у воді, розчиняється в хлороформі і діетиловому ефірі, бензині і скипидарі. Є основою бджолиних стільників. Використовується для виготовлення мазей, пластирів косметичних засобів та ін.
Ланолін. Цей віск одержують після промивки шерсті овець. Є сумішшю складних ефірів, утворених вищими спиртами (цериловим, карнаубовим, холестерином та ін.) і вищими жирними кислотами (ланопальмітиновою, міристиновою, ін.). За фізичними властивостях ланолін – це густа в'язка маса буро-жовтого кольору із слабким своєрідним запахом, не розчиняється у воді, розчиняється в хлороформі, діетиловому ефірі, гігроскопічний, не здатний до омилення водними розчинами лугів, не гіркне. Застосовують для виготовлення лікувальних мазей і в косметиці.
Спермацет. Спермацет є компонентом спермацетового масла, яке одержують з головного мозку кашалотів. Від одного кашалота можна отримати 4 – 5 т спермацету. Основною складовою частиною спермацету (до 90%) є складний ефір пальмітинової кислоти і цетилового спирту:
Деяка частина спермацету (10%) складається з складних ефірів цетилового, стеаринового, олеїнового спиртів і лауринової, міристинової кислот.
Спермацет – білі пластинчаті кристали, добре розчиняються в діетиловому ефірі, ацетоні, гарячому етанолі, не розчиняються у воді. Використовується для виготовлення лікувальних мазей і косметичних засобів. Застосовується при лікуванні виразок шкіри.
Рослинні воски. Дуже поширені в природі. Покривають тонким шаром листя, стебла, стовбури і плоди рослин. Захищають рослинні тканини від травм і мікробів. Беруть участь в регуляції водного обміну. За хімічним складом є сумішшю складних ефірів, утворених вищими спиртами (цетиловим, мірициловим) і вищими жирними кислотами (церогиновою, карнаубовою, монтановою, стеариновою, пальмітиновою, олеїновою). Найбільш широко використовується карнаубський віск, який одержують з листя деяких пальм. Основою воску є складний ефір мірицилового спирту і деротинової кислоти:
Карнаубський віск використовується для виготовлення свічок, полірувальних сумішей, ін.
Фосфатиди. Фосфатиди – жироподібні речовини, які містять, окрім складних ефірів вищих спиртів і вищих жирних кислот, також залишок фосфорної кислоти і азотисті основи.
Фосфатиди з іншими ліпідами і білками складають хімічну основу клітинних мембран, обумовлюють їх вибіркову проникність для різних речовин, беруть участь в процесах клітинного дихання і перенесенні електронів.
Молекула фосфатида складається з двох частин: полярної (гідрофільної) і аполярної (гідрофобної). Гидрофільна „голова” володіє негативним зарядом фосфату і позитивним азоту і є перманентним диполем (цвіттер-іон). Гідрофобний „хвіст” складається з довгих ланцюгів залишків вищих жирних кислот. Саме така структура молекули обумовлює поверхнево-активні властивості ліпіду, дає можливість формувати плівкові структури в моношарі на межі розділу фаз, взаємодіяти з різними (полярними і аполярними) сполуками і брати активну участь в реакціях асиміляції і дисиміляції.
Найбільше фосфатидів міститься в нервовій тканині (до 26 – 30% сухої маси), печінці (16%), нирках (11%) і серці (10%). Фосфатиди синтезуються в комплексі Гольджі. Залежно від природи спиртового залишку фосфатиди ділять на гліцеро-, інозит- і сфінгозинфосфатиди.
А. Гліцерофосфатиди
Молекула гліцерофосфатидів є складним ефіром гліцерину, вищих жирних кислот, фосфорної кислоти і азотистої основи.
Лецитини, або холінфосфатиди. В утворенні молекули a- і b-лецитинів беруть участь гліцерин, насичені і ненасичені вищі жирні кислоти, H3PO4 і холін. В a-лецитині залишок холіну і H3PО4 розміщуються біля атома C1 молекули спирту:
Багато лецитину міститься в спинному і головному мозку (35,2 – 12,4%), жовтку курячого яйця (6,5 – 12%), легенях, міокарді, нирках (5,9 – 5,2%), ін. Використовується організмом для біосинтезу ацетилхоліну. Застосовується (у вигляді драже) при лікуванні захворювань нервової системи, анеміях, загальному виснаженні організму.
Лецитином багаті також багато рослин: насіння соняшнику (38,5%), льону (36,2%), боби сої (35%) та ін.
Кефаліни, або коламінфосфатиди. Молекула кефалінів містить компонент основного характеру – етаноламін (коламін):
Кефалінова фракція складає ліпідну основу тканин головного мозку людини (66%), печінки великої рогатої худоби (51%), міокарду (30%), жовтка курячого яйця (28,7%). Багаті кефалінами боби сої (65), насіння бавовника (71,2%), льону і соняшнику (61,5%). Кефаліни утворюють з білками ліпопротеїдні комплекси. Багато кефалінів міститься в мітохондріях. Погану розчинність кефалінів у спирті використовують для відділення їх від лецитинів.
Серинфосфатиди. В молекулі серинфосфатидів азотистою основою є амінокислота серин:
Серинфосфатиди входять до складу кефалінової фракції. Серинфосфатидами багата нервова тканина, печінка, нирки та інші органи. Це протоплазматичні ліпіди. Їх багато в мітохондріях.
Між лецитинами, кефалінами і серинфосфатидами існує генетичний зв'язок, оскільки азотисті основи можуть перетворюватися одна в одну:
Ацетальфосфатиди (плазмалогени). В будові ацетальфосфатидів беруть участь альдегіди вищих жирних кислот. Ця група ліпідів була відкрита P. Фельгеном в 1924 р. Найчастіше ацетальфосфатиди мають таку структуру:
Розрізняються між собою азотистими основами, вищими жирними кислотами і їх альдегідами, а також способами утворення ацеталей. Складають близько 12% всіх фосфатидів тканин. Етаноламінкефалінова фракція мозку на 2/3 складається з ацетальфосфатидів. Сперматозоїди на 55 – 60% складаються з холінвмісних ацетальфосфатидів. В окремих органах (печінка, міокард, нирки, м'язи) вміст ацетальфосфатидів з віком збільшується.
Кардіоліпіни. Вперше виділені з екстракту міокарду. Основу структури молекули кардіоліпіну складають три залишки гліцерину, сполучені між собою фосфодіефірними зв'язками типу 1,3 (R – залишки вищих жирних кислот):
Кардіоліпіни складають майже 10% всіх ліпідів мітохондрій. Припускають, що ці ліпіди беруть участь в окислювальному фосфорилуванні і перенесенні електронів, у скріпленні комплементу при згортанні крові.
Б. Інозитфосфатиди
Інозитфосфатиди – ліпіди, вперше отримані з екстракту м'язової тканини. Їх молекула є складним ефіром, утвореним гліцерином, вищими жирними кислотами, H3PO4 і шестиатомним спиртом інозитом. Розрізняють монофосфоінозитиди і дифосфоінозитиди.
Знайдені інозитфосфатиди в молекулі яких немає залишків гліцерину. Багато ліпідів типу інозитфосфатидів було виявлено в нервовій тканині (мозку), особливо в мієлінових оболонках нервових волокон:
. Інозитфосфатиди здатні утворювати комплексні сполуки з білками. Залишок інозиту може вступати в реакції з галактозою, татроновою кислотою і вищими жирними кислотами, коламіном, об'єднуючи в єдине ціле продукти обміну білків, вуглеводів і ліпідів, характерних для нервової тканини.
В. Сфінгозинфосфатиди
Молекули сфінгозинфосфатидів утворені із залишків сфінгозина, вищих жирних кислот, фосфорної кислоти і холіну:
Їх часто називають сфінгомієлінами. Високим вмістом сфінгомієлінів вирізняється нервова тканина (вони складають основу мієлінових оболонок нервових волокон), селезінка, легені, нирки, підшлункова залоза. Іноді в молекулі ліпіду міститься залишок дигідросфінгозина. За фізичними властивостями сфінгозинфосфатиди – білі кристалічні речовини, утворюють водний колоїдний розчин, можуть розчинятися в суміші хлороформу і метанолу. Вищі жирні кислоти в основному представлені стеариновою кислотою (50%), менше – лігноцериновою і нервоновою.
Сфінгозинфосфатиди складають 20% всіх ліпідів мозку.
Гліколіпіди. Гліколіпіди – жироподібні речовини, молекули яких містять також вуглеводний компонент.
Цереброзиди. Є сумішшю складних ефірів, побудованих із залишків сфінгозина, вищих жирних кислот і галактози. В цереброзидах сфінгозин міститься у вигляді цереброна – сполуки церебронової кислоти і галактози, керазина – сполуки лігноцеринової кислоти і галактози і нервона – сполуки нервонової кислоти і галактози:
Цереброзидами багаті тканини мозку. Цереброзиди селезінки містять у складі молекули залишки глюкози (глюкоцереброзиди).
Цереброзиди – тверді речовини, не розчиняються у воді, розчиняються в діетиловому і петролейному ефірах, при кип'яченні набухають, при нагріванні до 200°С розкладаються. В організмі виконують структурну і метаболічну функції.
Гангліозиди. Молекули гангліозидів зазвичай складаються із залишку сфінгозина, вищої жирної кислоти (переважно стеаринової), гексоз (галактози і глюкози), галактозаміна і сіалових кислот. Молекула гангліозида в середньому містить: галактози – 40 – 43%, нейрамінової кислоти – 21%, сфінгозина – 13%, гексозамінів, глюкози і стеаринової кислоти – 23 – 26%.
Багато цих ліпідів міститься в нервовій тканині, паренхіматозних органах, клітинах крові. Гангліозиди є структурними компонентами нейронів, знешкоджують отрути (наприклад, правця), беруть участь в проведенні нервових імпульсів і деяких реакціях обміну речовин.
Сульфатиди. Сульфатиди – складні ефіри, утворені сфінгозином, цереброновою або лігноцериновою кислотами, галактозою і сірчаною кислотою:
Наведена формула ілюструє хімічну будову сульфатида, виділеного з тканин мозку. Сульфатиди знаходять в тканинах печінки, нирок, м'язів та ін. Вміст ліпідів зростає при мієлінізації нервових волокон. Вони з'являються в сечі при церебральному склерозі.
Лекція № 4. Білки. Амінокислоти.
Білки. Амінокислоти
Білки – високомолекулярні органічні сполуки, азотовмісні нерегулярні біополімери, побудовані з великої кількості залишків амінокислот, сполучених пептидним та іншими видами зв’язків. Свою назву білки дістали від яєчного білка, що з давніх-давен використовувався як харчовий продукт. Уперше термін “білки” було застосовано за аналогією з яєчним білком французьким фізіологом Ф. Кейе в 1747 р. Пізніше, в 1838 р., дослідником Н. Мульдером білки були названі протеїнами. Нині у літературі використовуються обидва терміни. Білки є найважливішими в біологічному відношенні і найскладнішими за своєю хімічною структурою сполуками. Вони становлять структурну і функціональну основу всіх живих організмів.
Функції білків
Каталітична функція. Усі ферменти – біологічні каталізатори, що зумовлюють перебіг хімічних реакцій в організмі – мають білкову природу. Вони є необхідними для життєдіяльності кожного живого організму.
За участю ферментів у клітинах одночасно проходить багато різних хімічних реакцій, які забезпечують синтез і розщеплення різноманітних сполук з досить великою швидкістю за звичайних температурі і тиску. Зараз відомо близько 2 тисяч білків, які ферментативно активні і більше 200 з яких виділено в кристалічному стані.
Структурна функція. Білки в середньому становлять 18 – 21 % загальної сирої маси організму людини і тварин і до 45 – 50 % їх сухої маси. Найбільша кількість білків міститься в паренхіматозних органах – селезінці, легенях, нирках та м’язах. Найменша кількість їх міститься у кістковій тканині. Білки входять до складу усіх органів і тканин. Вони беруть участь в утворенні структурної основи клітин і їх органел – мембранних структур, мітохондрій, рибосом, цитоплазми. Людині і вищим тваринам білки необхідні для утворення стінок судин, формування покривних, м’язових і сполучних тканин організму, вони становлять основу органічної частини кісткової тканини, хрящів, зв’язок і сухожилля.
Транспортна функція. Білки виконують також важливу транспортну функцію. Для нормальної життєдіяльності кожного організму необхідне постійне забезпечення його органів і тканин поживними речовинами. Ці речовини переносяться з током крові сполуками білкової природи. Так, перенесення кисню до тканин, а на зворотному шляху вуглекислого газу до легень здійснюється за допомогою складного білка хромопротеїдного типу – гемоглобіну. Транспорт різних груп ліпідів і жиророзчинних вітамінів до різних органів і тканин здійснюється за участю складних білків – ліпопротеїдів.
Гормональна функція. Значна кількість гормонів також є білками або продуктами білкового обміну. Це, зокрема, такі гормони, як інсулін, тетелін, тиреотропін, глюкокортикотропіни, оксітони, вазопресин та ін. Гормони беруть активну участь у регуляції обміну, впливають на проникність клітинних мембран, регулюють активність ферментів, діють на процеси трансляції і транскрипції та ін.
Рецепторна функція мембранних білків пов’язана з передачею сигналу від гормонів та антитіл у клітину. Подібну функцію виконують білки мембранних каналів, по яких транспортуються іони та моносахариди.
Скорочувальна функція білків м’язів та мікрофіламентів цитоскелету. Білки беруть участь у забезпеченні різних форм механічного руху – скороченні і розслабленні м’язів, роботи внутрішніх органів – серця, легень, шлунку і т. д. Ці процесії здійснюються за участю таких білків, як актин, міозин, тропоміозин і ряду інших.
Захисна функція здійснюється в основному за участю білків g-глобулінів, з якими пов’язані імунні реакції організму. Антитіла, які утворюються в організмі при несприятливій дії на нього різних факторів (хвороботворних бактерій, вірусів, токсинів), мають білкову природу. Зв’язуючись з мікроорганізмами чи токсинами, вони інактивують їх, гальмують патогенну дію і знешкоджують токсичні продукти. Відомо ряд інших процесів, в яких білки також виконують захисну функцію, наприклад у процесах зсідання крові, оберігаючи організм від надмірної втрати її при різних травмах, тощо.
Токсична та детоксикуюча функція, наприклад, дуже токсичні речовини зв’язують альбуміни крові.
Енергетична функція. Найбільш виражена при голодуванні організму. Білки, як і вуглеводи, і ліпіди, є також і найважливішим джерелом енергії для організму. Так, при розщепленні 1 г білка виділяється 17,7 кДж енергії. За рахунок білків організм людини одержує 10 – 15% енергії.
Отже, з далеко неповного переліку функцій білків в організм; видно, що їм належить ведуча роль у забезпеченні процесів життєдіяльності. Багатоплановість і важливість проблеми білка зумовлена насамперед тим, що з нею пов’язано вирішення досить важливого питання про закономірності розвитку живої матерії, пізнання вищої форми її існування, розкриття суті явищ, що лежать в основі життя, і свідомого керування ним.
Хімічний склад білків
Елементний склад. Дослідження елементного складу білків розпочалось ще на початку XIX ст. Перші дані про елементарний склад білків з’явились у 1809 р. на основі досліджень Ф. Грена. У результаті хімічного аналізу білків було визначено їх важливі складові елементи та кількісне співвідношення. Так, було встановлено, що до складу білків входять, %: вуглець – 50 – 55, водень – 6,5 – 7,3, азот – 15 – 17, кисень – 21 – 23, сірка – 0,3 – 2,5. У складі білків було виявлено також фосфор, йод, залізо та інші елементи.
Амінокислотний склад. Разом з визначенням елементного складу білків було розпочато вивчення і їх будови. Спочатку вважали, що основними структурними компонентами молекул білка є пептони, які було виділено при гідролізі різних білків. Пізніше (серед продуктів розщеплення білків) дослідники звернули увагу на речовини, які довгий час розглядалися ними не як складові частини молекул білка, а як продукти дії на білкові речовини сильних хімічних реагентів.
У 1820 р. А. Браконно вперше при кислотному гідролізі білка (желатини) виділив амінокислоту – гліцин. Оскільки амінокислота була солодка на смак, то її назвали глікоколом. Дещо пізніше (у 1871 р. російським хіміком М.М. Любавіним) було доведено, що і при ферментативному гідролізі білки розкладаються на амінокислоти.
Отже, в другій половині XIX ст. було встановлено, що основними структурними компонентами білка є амінокислоти.
Амінокислоти
У живих клітинах синтезується багато макромолекул (білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів), які відіграють роль структурних компонентів, біокаталізаторів, гормонів, рецепторів або в них зосереджена генетична інформація. Ці макромолекули представляють собою біополімери, які побудовані з мономерних одиниць, або структурних блоків. В нуклеїнових кислотах мономерними одиницями є нуклеотиди, в складних полісахаридах – цукри і їх похідні, а в білках – L-a-амінокислоти.
Білки, крім того можуть містити й інші компоненти, однак трьохвимірна структура, а відповідно, й їх біологічне значення визначається в основному амінокислотним складом, порядком чергування амінокислот в поліпептидному ланцюзі і як наслідок їх взаємним просторовим розміщенням.
Амінокислоти в клітинах виконують багато важливих функцій; деякі з біологічно важливих сполук, які утворюються із амінокислот наведені в таблиці 3.
Біологічне значення. Амінокислоти являючись будівельними блоками пептидів і білків, виконують і ряд інших важливих функцій. Деякі з них, мабуть приймають участь у передачі нервових імпульсів; прикладами служать гліцин і глютамінова кислота. В їжі повинні міститися незамінні амінокислоти, оскільки організм людини не здатен синтезувати їх в кількостях, достатніх для росту. В результаті метаболізму амінокислот утворюється багато сполук, які мають важливе біологічне значення. Наприклад, при декарбоксилуванні деяких амінокислот утворюються відповідні аміни, і деякі з них (гістамін, g-аміномасляна кислота (ГАМК)) виконують важливі біологічні функції. Ряд аномальних процесів, які виникають в організмах, пов’язані з порушенням транспорту амінокислот до клітин.
Амінокислоти містять в якості функціональних груп аміногрупу і карбоксильну групу. В a-амінокислотах обидві вони зв’язані з одним і тим же (a) вуглецевим атомом:
У природі існує близько 300 амінокислот, однак в білках виявлено тільки 20 з них. У результаті повного гідролізу білків вивільняється 20 L-a-амінокислот (табл. 1). Одні і ті ж 20 амінокислот присутні в білкових молекулах всіх форм життя – рослин, тварин і мікроорганізмів. Чому це так – ми зрозуміємо пізніше, коли будемо обговорювати універсальну природу генетичного коду. Однак, у ряді білків зустрічаються похідні деяких амінокислот, які утворюються вже після включення звичайних амінокислот в молекулу білка (табл. 3).
За виключенням гліцину, у якого R – це атом гідрогену, у всіх амінокислот чотири групи, зв’язані з a-вуглецевим атомом, різні. Дякуючи тетраедричному розміщенню чотирьох різних груп відносно a-вуглецевого атома амінокислота володіє оптичною активністю (здатністю обертати площину поляризації плоскополяризованого світла). Одні амінокислоти, що входять до складу білків, є (при рН=7,0) правообертаючими, а інші – лівообертаючими, однак всі вони мають абсолютну конфігурацію L-гліцеральдегіду і тому є L-a-амінокислотами.
Іонні форми амінокислот. Амінокислоти несуть по крайній мірі дві слабоіонізуючі кислі групи, –СООН і –NH3+. У розчині ці групи знаходяться у двох формах, зарядженій і незарядженій, між якими підтримується протонна рівновага:
R–СООН Û R–СОО- + Н+ і R–NН3+ Û R–NН2 + Н+.
Групи R–СООН і R–NН3+ є протонованими партнерами, тобто кислотами, а R–СОО- і R–NН2 – спряженими основами, тобто акцепторами протонів відповідних кислот. При значеннях рН, характерних для плазми крові і міжклітинної рідини (7,4 і 7,1 відповідно), карбоксильні групи знаходяться виключно у формі карбонілатних іонів, R–СОО-. При цих же значеннях рН більша частина аміногруп знаходиться переважно у асоційованій формі, R–NН3+. Однак в багатьох рівняннях краще використовувати не дисоційовані форми молекул амінокислот, наприклад при обговоренні питання про хімізм реакцій.
Повний сумарний заряд (алгебраїчна сума всіх позитивних і негативних зарядів) амінокислоти залежить від рН середовища, тобто від концентрації протонів гідрогену в розчині. Заряд амінокислоти або її похідного можна змінити, варіюючи значенням рН середовища; це полегшує фізичне розділення амінокислот, пептидів, білків.
Значення рН, при якому сумарний заряд молекули амінокислоти дорівнює нулю, називається ізоелектричною точкою (рІ), саме тому вона не переміщується в постійному електричному полі. Значення ізоелектричної точки знаходиться між найближчими значеннями рК дисоціюючих груп по різні сторони від рІ.
Структура амінокислот. Амінокислоти, які входять до складу білків, є можливість розбити на дві великі групи на основі того, якими є R–групи, зв’язані з атомом a-вуглецю, – полярними і неполярними (табл. 2).
Усі амінокислоти, які виявлено в складі білків, синтезуються в рослинних організмах. В організмі людини і тварин синтезується лише частина протеїногенних амінокислот, а деякі з них утворюються в недостатній кількості для нормального синтезу. В зв’язку з цим усі їх поділяють на три групи: замінні, напівзамінні і незамінні (табл. 2). Останні дві групи в організмі синтезуються в недостатній кількості або не синтезуються взагалі, і тому вони повинні надходити до організму ззовні, в основному з їжею.
Таблиця 1
L-a-амінокислоти, які входять до складу білків1)
|
№ |
Назва |
Скорочене позначення |
Структурна формула |
|
З аліфатичними боковими ланцюгами |
|||
|
1 |
Гліцин |
Глі Gly G |
|
|
2 |
Аланін |
Ала Ala A |
|
|
3 |
Валін |
Вал Val V |
|
|
4 |
Лейцин |
Лей Leu L |
|
|
5 |
Ізолейцин |
Іле Ile I |
|
|
З боковими ланцюгами, які містять гідроксильні (ОН) групи |
|||
|
6 |
Серин |
Сер Ser S |
|
|
7 |
Треонін |
Тре Thr T |
|
|
8 |
Тирозин |
Тир Tyr Y |
див. нижче |
|
З боковими ланцюгами, які містять атоми сірки |
|||
|
9 |
Метіонін |
Мет Met M |
|
|
10 |
Цистеїн2) |
Цис Cys C |
|
|
Імінокислоти |
|||
|
11 |
Пролін |
Про Pro P |
|
З боковими ланцюгами, які містять кислі групи і їх аміди |
|||
|
12 |
Аспарагінова кислота |
Асп Asp D |
|
|
13 |
Аспарагін |
Асн Asn N |
|
|
14 |
Глютамінова кислота |
Глу Glu E |
|
|
15 |
Глютамін |
Глн Gln Q |
|
|
З боковими ланцюгами, які містять основні групи |
|||
|
16 |
Аргінін |
Арг Arg R |
|
|
17 |
Лізин |
Ліз Lys K |
|
|
18 |
Гістидин |
Гіс His H |
|
|
Амінокислоти, які містять ароматичні кільця |
|||
|
19 |
Гістидин |
Гіс His H |
див. вище |
|
20 |
Фенілаланін |
Фен Phe F |
|
|
21 |
Тирозин |
Тир Tyr Y |
|
|
22 |
Триптофан |
Три Trp W |
1) За виключенням гідроксилізину і гідроксипроліну, які включаються до молекул білків у вигляді лізину та проліну, а потім гідроксилюються, для всіх перерахованих в таблиці амінокислот є специфічні тРНК, тому їх включення в білок здійснюється під прямим генетичним контролем.
2) Цистин складається із двох молекул цистеїну, з’єднаних дисульфід ним зв’язком:
У таблиці 1 наведені трьохбуквенні і однобуквені позначення амінокислот, які широко використовуються в біохімії. Однобуквені позначення застосовуються для запису досить довгих амінокислотних послідовностей (наприклад, повних амінокислотних послідовностей білків).
Таблиця 2
Класифікація L-a-амінокислот, які входять до складу білків,
основана на полярності їх R–груп
|
Неполярні |
Полярні |
|
Аланін Валін* Ізолейцин* Лейцин* Метіонін* Пролін Триптофан* Фенілаланін* |
Аргінін** Аспарагін Аспарагінова кислота Гістидин** Гліцин Глютамін Глютамінова кислота Лізин* Серин Тирозин** Треонін* Цистеїн |
|
* - незамінні амінокислоти; ** - напівзамінні амінокислоти. |
Амінокислоти, які знаходяться у вільному стані або які входять до складу інших сполук (не білків), виконують важливі функції в багатьох метаболічних процесах (табл. 3). Наприклад, амінокислоти орнітин, цитрулін і аргініносукцинат беруть участь у метаболізмі сечовини. В природних об’єктах виявлено більше 20 D-амінокислот. До їх числа належить D-аланін, D-глутамат, які входять до складу клітинних стінок деяких бактерій; ряд D-амінокислот входить до складу антибіотиків.
Таблиця 3
Деякі амінокислоти, які не входять до складу білків, але відіграють важливу
роль в метаболізмі організму
|
Назва |
Роль |
Структурна формула |
|
Гідроксилізин |
Входить до складу колагену та желатини |
|
|
Гідроксипролін |
Входить до складу колагену та желатини |
|
|
Орнітин |
Проміжна сполука в метаболізмі треоніну, аспарагінової кислоти і метіоніну. |
|
|
3,5-дийодтирозин |
Попередник тиреоїдних гормонів |
|
|
Гомоцистеїн |
Проміжна сполука в біосинтезі цистеїну |
|
|
Гомосерин |
Проміжна сполука в метаболізмі треоніну, аспарагінової кислоти і метіоніну. |
|
|
Цитрулін |
Проміжна сполука в біосинтезі сечовини |
|
|
b-аланін |
Складова частина коферменту А і вітаміну пантетеїну |
|
|
Таурин |
Знаходиться у жовчі в складі кон’югатів жовчних кислот |
|
|
g-аміномасляна кислота (ГАМК) |
Нейромедіатор, який утворюється із глутамату в тканинах мозку |
Розчинність амінокислот. Амінокислоти містять по декілька заряджених груп, тому вони легко піддаються сольватації і добре розчиняються в полярних розчинниках (вода, етанол) і не розчиняються в неполярних розчинниках (бензол, гексан, ефір). Температура плавлення амінокислот досить велика (> 200°C). Це теж обумовлено присутністю в них заряджених груп.
Загальні хімічні властивості амінокислот, які визначаються властивостями карбоксильної і аміногруп
Властивості карбоксильної групи
Як і всі інші сполуки, що містять карбоксильну групу, амінокислоти при взаємодії з основами утворюють солі, а в результаті реакцій із спиртами і амінами утворюють, відповідно, ефіри і аміди.
Важливу роль в біохімії відіграє реакція декарбоксилування амінокислот, в результаті якої карбоксильна група зникає і залишається тільки аміногрупа:
Методи визначення С-кінцевих амінокислот. Для вивчення С-кінцевих амінокислот часто використовують метод гідразинолізу, розроблений японським ученим Ф. Акабборі, який грунтується на гідролізі поліпептидного ланцюга білкової молекули гідразином. При цьому С-кінцева амінокислота відщеплюється у вільному стані, а всі інші амінокислоти – у вигляді сполук з гідразином:
Гідролізат потім обробляють 2,4-динітрофторбензолом, у результаті чого гідразиди перетворюються на ДНФ-гідразиди, а С-кінцева амінокислота – на ДНФ-амінокислоту (див. нижче).
Після цього ДНФ-гідразиди екстракцією (оцтово-етиловим ефіром) відділяють від ДНФ-амінокислот.
Для визначення С-кінцевої амінокислоти застосовують також ферментативний метод, використовуючи панкреатичні карбоксипептидази.
Так, карбоксипептидаза А відщеплює від білка або пептиду лише той амінокислотний залишок, який має вільну карбоксильну групу.
Інформацію про послідовність С-кінцевих амінокислот у ланцюгу можна отримати під час визначення швидкості відщеплення кожного наступного С-кінцевого залишку амінокислоти. Необхідно відзначити, що карбоксипептидаза А малоактивна до залишків С-кінцевих амінокислот лізину, аргініну і проліну. Тому залишки цих амінокислот досліджують з використанням карбоксипептидази В.
Властивості аміногрупи
Як і всі сполуки, що містять аміногрупу, амінокислоти взаємодіють з кислотами, утворюючи солі.
Відділення аміногрупи від амінокислоти може бути здійснено багатьма способами. Найважливіший з них – окислювальне дезамінування:
Аміногрупа вступає в реакцію приєднання з формаліном:
Інтерес до цієї реакції обумовлений тим, що вона призводить до блокування амінної функції амінокислоти. Сполука, що утворюється, володіє тільки кислотними властивостями і її кількісне визначення можна здійснити простою нейтралізацією лугом (формалінове титрування по Серенсену).
Наведені нижче реакції широко використовуються при дослідженні будови білків.
Методи визначення N-кінцевих амінокислот
Реакція з динітрофторбензолом (реакція Сенгера). Динітрофторбензол реагує з аміногрупою амінокислоти і, звільняючи фтористоводневу кислоту, утворює динітрофеніламінокислоту (ДНФ-ак):
Ця реакція може відбуватися і за участю амінокислот, що входять в білок, але тільки по їх вільних аміногрупах. Якщо після завершення реакції провести гідроліз білка, то всі амінокислоти вивільняються. Гідроліз не порушує структуру ДНФ-ак. Використовуючи розчинність ДНФ-ак в органічних розчинниках, можна відділити, а отже і ідентифікувати амінокислоти, які, знаходячись у складі білка, мали вільні аміногрупи.
Реакція з 1-диметиламінонафтил-5-сульфонілхлоридом (дансилом, ДНС-метод). Більш чутливим, ніж динітрофенільний, є дансильний метод визначення N-кінцевих амінокислот. Суть цього методу полягає в тому, що N-кінцева амінокислота пептиду в лужному середовищі взаємодіє з 1-диметиламінонафтил-5-сульфонілхлоридом (дансилом). При цьому утворюється диметилнафтилсульфоніл-білок (ДНС-білок):
Далі здійснюють кислотний гідроліз ДНС білка 20% розчином HCl, що призводить до утворення вільних амінокислот і N-кінцевої амінокислоти у вигляді ДНС-похідного:
Після цього ДНС-амінокисоту, завдяки інтенсивній флуоресценції дансильних груп, виявляють і кількісно визначають.
Реакція з фенілізотіоціанатом (реакція Едмана). Фенілізотіоціанат в слаболужному середовищі реагує з аміногрупою:
У слабокислому середовищі продукт цієї реакції циклізується. Якщо піддати амінокислоту, яка входить до складу білка, дії фенілізотіоціаната, то її можна виділити й ідентифікувати у формі фенілтіогідантоїнового (ФТГ-ак) похідного:
Цей метод дозволяє ідентифікувати кінцеві амінокислоти білка, аміногрупи яких вільні. Утворення ФТГ-ак не вимагає гідролізу решти частини білка.
Для визначення N-кінцевих залишків амінокислот крім хімічних методів використовують також і ферментативні. З цією метою використовують фермент з групи екзопептидаз – лейцинамінопептидазу, яка діє на пептид з N-кінця.
Кольорові реакції. Нінгідрин здійснює декарбоксилування a-амінокислот з утворенням СО2, NH3 і альдегіду, який містить на один атом вуглецю менше, ніж вихідна амінокислота. Відновлений нінгідрин реагує з вільним аміаком, утворюючи блакитний комплекс з максимумом поглинання при lmax=570 нм:
Утворення цієї забарвленої сполуки використовується в кількісному тесті на a-амінокислоти, за допомогою якого є можливість виявити їх, якщо навіть вони знаходяться у концентрації до 1мкг. Нінгідрин реагує не тільки з амінокислотами, але і з другими амінами; при цьому також утворюється блакитне забарвлення, але не виділяється вуглекислий газ. Таким чином, саме виділення СО2 є індикатором участі в реакції a-амінокислоти. Аміак і пептиди також вступають в реакцію з нінгідрином, але менш активно ніж a-амінокислоти. Продукт реакції між проліном (гідроксипроліном) і нінгідрином має жовте забарвлення.
Флуорескамін є ще більш чутливим реагентом, який дозволяє виявляти амінокислоти в кількості порядку нанограм. Як і нінгідрин, він утворює комплекс не тільки з амінокислотами, але і іншими амінами.
Утворення пептидних зв’язків. Найбільш важливою реакцією, в якій приймають участь амінокислоти, є утворення пептидних зв’язків. При цьому виділяється одна молекула води:
Однак, реакція здійснюється не так, як показано на малюнку, оскільки рівновага сильно зміщення в сторону гідролізу пептичного зв’язку. Для утворення пептидного зв’язку між двома амінокислотами карбоксильна група повинна бути попередньо активована. Хімічний синтез здійснюється шляхом попереднього утворення хлорангідриду. Біологічна активація включає взаємодію з АТФ.
Властивості індивідуальних амінокислот. Гліцин, найменша з амінокислот, може локалізуватися в таких областях трьохвимірної структури, які недоступні для інших.
Аліфатичні R–групи аланіну, валіну, лейцину і ізолейцину, а також ароматичні R-групи фенілаланіну, тирозину і триптофану – гідрофобні; ця властивість призводить до одного важливого наслідку – утворення впорядкованого поверхневого шару молекул води в області поверхні молекули білка, де експоновані неполярні R–групи. Заряджені R–групи основних і кислих амінокислот відіграють важливу роль в стабілізації специфічної конформації білка шляхом утворення сольових зв’язків. Крім того, амінокислоти з позитивно і негативно зарядженими R–групами, а також гістидин можуть приймати участь у формуванні систем “перенесення заряду”, які в ході ферментативного каталізу забезпечують переміщення заряду на значні відстані. І на завершення, унікальна і важлива роль у ферментативному каталізі належить гістидину – рК імідазольної групи при рН=7 може позмінно виступати в ролі основного або кислотного каталізатора.
Первинна спиртова група серину і первинна тіоспиртова група (–SH) цистеїну є добрими нуклеофілами які приймають участь в ферментативному каталізі. Хоча вторинна спиртова група треоніну теж виявляє нуклеофільні властивості, але дані про її можливу каталітичну функцію відсутні. Окрім каталітичної функції –ОН група серину приймає участь в регуляції активності деяких ключових ферментів метаболізму, активність яких залежить від фосфорилювання окремих залишків серину.
Амінокислоти не поглинають світло в видимій частині спектру (іншими словами, вони не мають забарвлення). За виключенням ароматичних кислот і гістидину, вони не поглинають світло і в ультрафіолетовій області при довжинах хвиль вище 240 нм.
Методи виділення та ідентифікації амінокислот. Фракціонування і визначення окремих амінокислот. Деякі амінокислоти дають кольорові реакції або володіють характерним спектром поглинання, що створює можливість їх кількісного визначення. Існують, проте, і більш загальні методи, що дозволяють ідентифікувати, а потім і визначити вміст кожної з амінокислот в суміші після фракціонування. Ці методи можуть бути використані при дослідженні тканинних екстрактів, біологічних рідин (плазми крові, сечі) або білкових гідролізатів, в яких зв'язок між амінокислотами вже розірваний.
Хроматографія на папері (Мартін, Гордон і Синдж). Цей метод відіграє важливу роль при аналізі амінокислот, і сама техніка хроматографії на папері була розроблена саме для цієї мети.
Коли мають справу з складною сумішшю амінокислот, наприклад при аналізі гідролізата білків, доводиться вдаватися до двомірної хроматографії. При проведені хроматографії в одному напрямі часто використовують як розчинник фенол, а в перпендикулярному – суміш бутанола і водного розчину оцтової кислоти. Амінокислоти проявляють за допомогою нінгідрина при підвищеній температурі. Амінокислоти, які відносяться до однієї групи, розташовуються на одній плавній кривій.
Іонообмінна хроматографія на колонці (Мур і Стейн). Цей метод дозволяє проводити кількісне визначення амінокислот у суміші. Скляну колонку заповнюють смолою, яка містить на матриці полістиролу угрупування – SO3H-Na+. В кислому середовищі амінокислоти поводять себе як основи. Вони утворюють катіони, здатні витісняти частину іонів Na+ і, займаючи їх місце, затримуватися на колонці. Чим більш основною є дана амінокислота, тим міцніше вона зв'язується електростатичними силами із смолою. Потім через колонку пропускають елюючу рідину, поступово збільшуючи її рН (градієнт рН). Коли рН елюента наближається до значення рН, відповідного даній амінокислоті, вона відділяється від смоли і починає рухатися уздовж колонки. Оскільки величини pHi для різних амінокислот неоднакові, амінокислоти виходять з колонки по черзі. Необхідно, проте, мати на увазі, що міцність зв'язку між амінокислотою і смолою обумовлена не тільки електростатичними силами, а залежить також від сил іншої природи. Тому в деяких випадках порядок виходу амінокислот може не відповідати порядку зміни величини рНi. Процес проведення хроматографії залежить від температури. Методика колоночної хроматографії використовується в двох варіантах:
а) в поєднанні з колектором фракцій. Амінокислоти збирають в окремі пробірки у вигляді невеликих фракцій. В кожну з пробірок додають нінгідрин і нагрівають (реакцію з нінгідрином проводять зазвичай при підвищеній температурі). За допомогою спектрофотометра вимірюють потім спектри поглинання кожної з фракцій і, виходячи з отриманих даних, обчислюють концентрацію кожної амінокислоти. Таким чином одержують серію кривих, що відповідають послідовному виходу амінокислот. Природу кожної амінокислоти встановлюють за об'ємом елюента, що витрачається на зняття цієї амінокислоти із смоли, з урахуванням заздалегідь проведених калібрувальних дослідів;
б) з автоматичним аналізатором, що працює за таким принципом. Рідина, що витікає з колонки, за допомогою насоса змішується з нінгідрином. Суміш проходить спочатку через водяну баню, де підігрівається, а потім через кювету спектрофотометра, який безперервно реєструє поглинання світла при 570 нм (фіолетове забарвлення нінгідрииа зі всіма амінокислотами) і при 440 нм (жовте забарвлення проліна з нінгідрином). Дані спектрофотометра реєструються на стрічці, що рухається, або на листі паперу. Площа, яка обмежена кривою і базовою лінією, пропорційна концентрації відповідної амінокислоти.
Електрофорез. Завдяки своєму електричному заряду амінокислоти можуть переміщуватися в електричному полі (рис. 1). Проте через малий розмір молекул вони легко дифундують і тому їх розділення можливе тільки при використанні твердої основи, наприклад паперу або крохмалю. Розділення йде по групах. Так, наприклад, при рН 4,0 дикарбонові амінокислоти ще залишаються кислотами і аніонами. Вони прямують до позитивного полюса – аноду. Нейтральні ж і лужні амінокислоти рухаються в цих умовах до негативного полюса – катоду, оскільки при рН 4,0 вони несуть позитивний заряд.
Рис. 1. Прилад для проведення електрофорезу (а), електрофореграма (b).
Будова білків
Всі білки являються високомолекулярними поліпептидами. Умовну границю між великими поліпептидами і білками проводять в області молекулярних мас 8000 – 10000.
Характеристика зв’язків амінокислот у молекулах білка. Для нативних білків, що мають специфічні фізико-хімічні та біологічні властивості, характерним є наявність нижчих та вищих рівнів структури. Для кожного рівня структури характерні певні види зв’язків, за рахунок яких відбувається надійна стабілізація білкових молекул.
Припущення відносно сил, що забезпечують утворення стабільних структур, було висловлене Д.Л. Талмудом та С.Є. Бреслером у 1944 p. Наступні дослідження дали змогу на основі цих припущень сформулювати загальні положення про сили, що стабілізують білкові молекули. Згідно з даними положеннями структура білків є результатом дії таких сил: пептидних зв’язків між CO–NH–групами амінокислот; дисульфідних зв’язків, які утворюються між залишками амінокислоти цистеїну; водневих зв’язків між киснем карбонільної і воднем імінної груп пептидних угруповань; гідрофобної взаємодії.
Отже, стабілізація структури білкової молекули забезпечується за рахунок ковалентних зв’язків та сил слабкої взаємодії. При цьому в стабілізації кожного виду структури вирішальна роль належить одному із зв’язків, а решта відіграють допоміжну роль. Так, ковалентні зв’язки (сили міцної взаємодії) забезпечують стабілізацію первинної і третинної структур (пептидний та дисульфідний зв’язки). Решта видів структури стабілізується за рахунок сил слабкої взаємодії водневих та іонних зв’язків, сил Ван-дер-Ваальса, гідрофобної взаємодії тощо.
Пептидний зв’язок. Коли карбоксильна і аміногрупа з’єднуються, утворюючи пептидний зв’язок, амінокислоти перетворюються в амінокислотні залишки, утворюючи пептид.
Схематично даний процес можна записати так:
Пептид складається із двох або більше амінокислотних залишків, з’єднаних пептидними зв’язками.
Пептиди, які складаються більше ніж з 10 амінокислотних залишків називаються, поліпептидами.
Утворений дипептид може взаємодіяти з наступною амінокислотою, утворюючи трипептид, тетрапептид і т.д. Необхідно відмітити, що трипептид містить три залишки амінокислот, але не три пептидних зв’язки:
Структуру пептиду прийнято зображати так, щоб N-кінцевий залишок (містить вільну NH2–групу) розміщувався зліва, а С-кінцевий залишок (з вільною карбоксильною групою) – справа. Такий пептид має тільки одну вільну a-аміногрупу і тільки одну a-карбоксильну групу. Це твердження справедливе для всіх поліпептидів, які утворені тільки амінокислотними залишками, з’єднаними одна з одною пептидними зв’язками.
В деяких пептидах кінцева аміногрупа або кінцева карбоксильна група модифікована (прикладом може бути ацильне похідне аміногрупи або амід карбоксильної групи), і таким чином, не являється вільною.
Лінійна послідовність амінокислотних залишків в поліпептидному ланцюзі називається первинною структурою пептиду. Для того, щоб встановити первинну структуру пептиду необхідно встановити число, хімічну структуру і порядок розміщення всіх амінокислотних залишків, які входять до його складу.
Заміна всього лише однієї амінокислоти на іншу в лінійній послідовності із 100 і більше залишків може призвести до зниження або до повної втрати біологічної активності пептиду, а це сприятиме розвиткові серйозних наслідків (наприклад, виникнення серповидної анемії).
Поліпептиди (білки) можуть містити 100 і більше амінокислотних залишків, тому традиційні структурні формули виявляються завеликими для позначення молекули пептиду. В даному випадку користуються “хімічним скорописом”, використовуючи трьохбуквенні або однобуквені позначення амінокислотних залишків (табл. 1). При найменуванні пептиду, його розглядають як похідне С-кінцевого амінокислотного залишку.
Водневий зв’язок досить поширений в хімічних сполуках. Він утворюється між ковалентно зв’язаним атомом водню, який має частковий позитивний заряд, та іншими ковалентно зв’язаними атомами, що мають негативний заряд. У молекулах білка водневий зв’язок найчастіше утворюється при взаємодії атома водню імінної групи залишку однієї амінокислоти з атомами кисню карбонільної групи залишку іншої амінокислоти:
Водневий зв’язок у молекулі білка може бути внутрішньоланцюговим (з’єднує окремі витки однієї спіралі) і міжланцюговим (з’єднує різні поліпептидні ланцюги). У нативних білках цей тип зв’язку може утворюватися не лише між воднем і киснем пептидних груп, а й між іншими функціональними групами поліпептидного ланцюга.
Водневий зв’язок, на відміну від інших зв’язків, досить слабкий. Енергія цього зв’язку дорівнює 6 кДж, тоді як, наприклад, енергія зв’язку між атомами вуглецю становить близько 250 кДж. Тому водневий зв’язок легко утворюється і легко руйнується при звичайних умовах. Він відіграє важливу роль в утворенні вторинної, третинної і четвертинної структур білка.
Дисульфідний зв’язок. Відомо, що до складу переважної більшості білків входять залишки амінокислоти цистеїну. Цей досить міцний ковалентний зв’язок утворюється внаслідок відщеплення атомів водню від сульфгідрильних груп двох амінокислотних залишків цистеїну. Дисульфідний зв’язок, як і водневий, може бути внутрішньо ланцюговим (а) і міжланцюговим (б).
Схему утворення дисульфідного зв’язку можна показати так:
а)
б)
Дисульфідні зв’язки мають важливе значення для формування третинної структури білків. Руйнування цих зв’язків призводить до дестабілізації даного рівня структури і втрати білком його біологічної активності.
Іонний зв’язок утворюється при наявності у поліпептидних ланцюгах молекул білків залишків моноамінодикарбоновнх і діаміномонокарбонових кислот. Вільні карбоксильні та амінні групи цих залишків амінокислот перебувають переважно в іонізованому стані, в результаті чого між ними виникає електростатична взаємодія:
Іонний зв’язок відіграє важливу роль при утворенні третинної і, можливо, четвертинної структур білків.
Гідрофобний зв’язок утворюється внаслідок міжмолекулярної взаємодії (сил Ван-дер-Ваальса) між гідрофобними (неполярними) радикалами таких амінокислот, як аланін, валін, лейцин, ізолейцин, фенілаланін тощо:
Гідрофобний зв’язок має важливе значення для стабілізації третинної і четвертинної структур білків.
Структури білків. Основополагаючим моментом в нашому розумінні принципів організації білків послужило виявлення того факту, що поліпептидні ланцюги можуть знаходитися у високо впорядкованій конформації, яка стабілізується водневими зв’язками між пептидними групами. Внаслідок існування таких конформацій розрізняють рівні структурної організації білка (рис. 2).
Рис. 2. Структури білкової молекули
Первинна структура білків – це послідовність амінокислот, зв’язаних пептидним зв’язком–СО–NH–. Унікальність первинної будови зумовлює функції та властивості білків, у тому числі імунні. Первинна будова білка кодується генетичним кодом у ДНК. Всі атоми пептидної групи компланарні, тобто знаходяться у одній площині, тому що мають делокалізовані p-електрони; О та Н розташовані у транс-положенні. Пептидний зв’язок існуючи на 90% в кетонній (транс-положення) та на 10% у енольній формах (таутомерія), здатен утворювати по два водневі зв’язки з полярними групами та з іншими пептидними зв’язками (зв’язки, що утворені проліном утворюють тільки один водневий зв’язок). Первинна структура білків є основою для самоорганізації цих молекул у просторі структури (рис. 3).
При вивченні первинної структури використовують як хімічні агенти, так і ферменти.
Протеолітичні ферменти. Це ферменти, що каталізують гідролітичний розрив пептидних зв'язків. Вони діляться на дві групи:
1) екзопептидази, які відщеплюють кінцеву амінокислоту, – амінопептидаза відділяє N-кінцеву амінокислоту, карбоксипептидаза відщеплює С-кінцеву амінокислоту;
2) ендопептидази, які діють на зв'язки між некінцевими амінокислотами. Ендопептидази володіють специфічністю відносно амінокислот, зв'язки яких гідролітично розриваються (з приєднанням елементів молекули води), – трипсин розриває молекулу на рівні карбоксилів лізину і аргініну; хімотрипсин розриває пептидні зв'язки тільки по карбоксилах ароматичних амінокислот: фенілаланіна, тирозина і триптофана.
Пепсин також є ендопептидазою, але його специфічність не цілком вивчена.
Рис. 3. Первинна структура білкової молекули
Визначення амінокислотного складу. Починають з повного гідролізу білка, тобто з розриву всіх пептидних зв'язків з приєднанням води і звільненням амінокислот. Гідроліз здійснюють дією 6N HCl при 110°C протягом 24 або 48 ч в запаяній під вакуумом ампулі (більш короткочасний гідроліз може виявитися неповним, при більш тривалому виникає небезпека руйнування невеликої частини амінокислот). Необхідно провести ще і лужний гідроліз невеликої кількості білка обробкою 2 – 4N NaOH для отримання триптофана, який при кислотному гідролізі руйнується. Отриману таким чином суміш амінокислот фракціонують і аналізують хроматографією на катіонообмінній смолі по описаному вище методу Мура і Стейна.
Визначення N-кінцевої амінокислоти. Для цієї мети можна використовувати різні методи (див. вище).
– метод Сенгера з динітрофторбензолом, ДНФБ.
– метод Едмана з використанням фенілізотіоціаната.
– дія амінопептидази.
Визначення С-кінцевої амінокислоти. Мається на увазі амінокислота, яка несе вільну COOH-групу і стоїть на кінці поліпептидного ланцюга. Її визначення досить важке (див. вище).
Визначення амінокислотної послідовності. Білок ділять на декілька зразків, які потім обробляють окремо. Один зразок, наприклад, гідролізують соляною кислотою на холоді, інший обробляють трипсином, третій хімотрипсином. Для кожного зразка одержують суміш пептидів різної довжини. Пептиди фракціонують методами електрофореза або хроматографії на іонообмінних смолах. Ці смоли схожі на ті, за допомогою яких фракціонують амінокислоти, але сітка полімеру в них менш тісна, що забезпечує проникання більш великих молекул всередину смоли і їх затримання.
Для кожного з поліпептидних фрагментів проводять обробку такого ж характеру, як для цілого білка, і якщо в результаті утворюються не дуже довгі пептиди, то вдається розшифрувати первинну структуру кожного з них, використовуючи, зокрема, метод Едмана. Потім встановлюють порядок взаємного розташування пептидів в молекулі білка. Цього досягають шляхом зіставлення пептидів, отриманих різними способами гідролізу, в яких амінокислотні послідовності частково перекриваються.
Метод „відбитків пальців” (фінгерпринт). Іноді виникає необхідність порівняти два близьких за своєю природою білка. Структура одного з них відома, і бажано визначити будову другого білка, не проводячи заново повного визначення його структури. В цьому випадку прагнуть вичленувати ті ділянки білків, які неідентичні. Для цього обидва білки спочатку піддають протеолізу, наприклад трипсином, а потім наносять в кут листа паперу гідролізат і проводять хроматографічне розділення в одному напрямі і електрофорез в перпендикулярному напрямі. Папір висушують і фарбують пептиди, що розділилися на площі листа. При цьому виявляють, що більшість плям розташована однаково, тобто, відповідає однаковим пептидам, і лише один або декілька пептидів – відмінні. Ці пептиди походять з тих частин молекул двох білків, які не ідентичні. Їх можна проаналізувати.
Цим методом Інгрему вдалося зіставити два гемоглобіни (білки, утворені поліпептидними ланцюгами двох типів, кожен з яких містить більше 140 амінокислот). Один з гемоглобінів був нормальним, а другий – виділений з крові хворого дрепаноцитозом (захворювання крові, відоме також під назвою серповидноклітинної анемії). Відмінність між двома гемоглобінами виявилася тільки в одному пептиді і була обумовлена заміною лише однієї амінокислоти.
Вторинна структура білка – це просторове розміщення первинної будови у вигляді a-спіралі або b-складчатої будови. Стабілізується вторинна структура численними водневими зв’язками між різними пептидними групами =C=O...H–N=. Спіральна конфігурація a-спіралі має гвинтову симетрію, водневі зв’язки утворюються між пептидними групами першим та четвертим амінокислотних залишків, причому бокові радикали не приймають участь у утворенні a-спіралі. Звичайно a-спіраль є у більшості білків, або ж як фрагмент молекули білка. b-складчаста структура зустрічається у структурних білків, частіше у білку містяться обидві структури.
Характеристика конформацій поліпептидів
Спіральна структура. Модель просторової конфігурації поліпептидного ланцюга у вигляді спіралі вперше запропонували Л. Полінг і Р. Корі в 1951 p. на основі даних рентгеноструктурного аналізу білків і пептидів (рис. 4). Спіральна структура утворюється, як правило, тоді, коли в усіх ланках поліпептидного ланцюга кути повороту навколо простих зв’язків близькі до 60 або 45°. Це приводить до поступового закручування поліпептидного ланцюга та утворення a-спіралі. Згідно з розрахунками Л. Полінга і Р. Корі, a-спіраль є найоптимальнішою в енергетичному відношенні, оскільки має найменший рівень вільної енергії. Стабілізується a-спіраль внутрішньомолекулярними водневими зв’язками, які виникають між воднем іміногрупи та киснем карбонільної групи пептидних угрупувань остову поліпептидного ланцюга.
Рис. 4. Вторинна структура: (а) – площинна; (b) – α-спіраль;
(c) – вид зверху; (d) – вид збоку.
Усі водневі зв’язки, які стабілізують a-спіраль, приблизно паралельні до осі спіралі і колінеарні один одному, що відповідає мінімуму вільної енергії. Радикали залишків амінокислот розміщуються на периферичних ділянках утвореного a-спіраллю уявного циліндра по різні боки від осі спіралі. Кислотно-основні властивості радикалів можуть забезпечувати гідрофобну або гідрофільну природу окремих ділянок поверхні a-спіральної структури.
Велика кількість неполярних радикалів, згрупованих на одному боці a-спіралі, утворює так звані гідрофобні кластери, або дуги, які можуть створювати умови для зближення окремих a-спіральних ділянок. Це має певне значення при формуванні надвторинних структур.
Радикали амінокислот помітно впливають на утворення і стабілізацію a-спіралі. Так, проведені дослідження з поліаланіном, радикали якого за величиною незначні і не мають заряду, свідчать про те, що він самовільно утворює a-спіральну структуру у водному розчині при рН=7,0. Поліпептид на основі іншої амінокислоти – лізину, тобто полілізин, при цьому самому значенні рН a-спіралі не утворює, а має вигляд невпорядкованого клубка. У нейтральному середовищі радикали лізину мають позитивний заряд, що перешкоджає їм зближуватися, оскільки діють сили відштовхування, причому ці сили переважають сили, які необхідні для утворення внутрішньоланцюгових водневих зв’язків. Подібні експерименти було проведено з поліамінокислотами. Це дало змогу встановити, що деякі амінокислоти (аланін, валін, лейцин, метіонін, фенілаланін, тирозин, триптофан, гістидин тощо) сприяють утворенню a-спіралі, особливо коли вони розміщені поряд у поліпептидному ланцюгу. Інші амінокислоти, такі як лізин, аргінін, гліцин, серин, треонін, аспарагінова і глутамінова кислоти сприяють дестабілізації a-спіралі. Разом з цим окремі амінокислоти, зокрема пролін і оксипролін, просторово в спіральну структуру не вкладаються. На цих ділянках напрям поліпептидного ланцюга змінюється на 103°, і спіральна структура порушується.
Наведені вище дані свідчать проте, що поліпептидні ланцюги у молекулах білка спіралізовані не повністю. Для кожного білка характерний певний ступінь спіралізації поліпептидного ланцюга. Наприклад, для білка гемоглобіну ступінь спіралізації дорівнює 75%, для альбуміну курячого яйця – 45, а для рибонуклеази – лише 17%. Тому під вторинною структурою білка розуміють певне співвідношення спіралізованих ділянок поліпептидного ланцюга з лінійними, нерегулярними, аморфними переходами, в яких порушені водневі зв’язки.
a-Спіраль характеризується такими параметрами. На один виток a-спіралі припадає 3,6 залишки амінокислот, а крок спіралі (відстань між витками) дорівнює 0,54 нм. Кут підйому витка дорівнює 26°, а висота одного залишку амінокислоти досягає 0,15 нм. Період ідентичності, тобто довжина відрізка спіралі, яка повністю повторюється по ходу її, становить 2,7 нм і включає 18 залишків амінокислот. Число атомів витка, який стабілізується водневими зв’язками, 13. Отже, формула a-спіралі має такі параметри: 3,613-спіраль.
a-Спіраль може бути ліво- або правозакрученою (рис. 5). У білках, як правило, правозакручена a-спіраль, що певною мірою пов’язано з тим, що до складу білків входять амінокислоти L-ряду. Для a-спіралі характерні певні особливості – a-спіраль має гвинтову симетрію і регулярність витків.
Пошарово-складчаста структура. Це різновид вторинної структури білків, яка має зигзагоподібну конфігурацію і характерна для розміщених паралельно витягнутих ділянок одного поліпептидного ланцюга (крос-b-форма) або кількох поліпептидних ланцюгів (повна b-структура) (рис. 6). У першому випадку структура стабілізується водневими зв’язками в межах окремих ділянок одного поліпептидного ланцюга (внутрішньо ланцюгові водневі зв’язки), а в другому – водневими зв’язками між суміжними ділянками кількох поліпептидних ланцюгів (міжланцюгові водневі зв’язки).
Рис. 5. a-Спіраль може бути ліво- або правозакрученою
Рис. 6. b-структура (а) – антипаралельна; (b) – паралельна
У нативних білках зустрічаються обидва види пошарово-складчастої структури. Крім того, пошарово-складчаста структура має ще таку її різновидність, як b-вигин (реверсний розворот), який виникає тоді, коли поліпептидний ланцюг робить розворот назад та орієнтується вздовж самого себе в зворотному напрямку (рис. 7).
Рис. 7. b-вигин
Уперше b-структуру, як один з варіантів просторової конфігурації поліпептидного ланцюга, було описано в 1941 p. У. Астбері на основі рентгеноструктурного аналізу білка b-кератину. В 50-х роках Л. Полінг і Р. Корі докладно вивчили особливості b-структури, її види, стабілізацію тощо. До білків з b-структурою належать фіброїн шовку, кератин волосся та інші фібрилярні білки. У глобулярних білків у формуванні b-структур беруть участь до15 % залишків амінокислот.
Отже, просторова конфігурація поліпептидннх ланцюгів значною мірою визначається видом білка. Так, у фібрилярних білків вторинна структура може бути представлена лише спіральними або лише пошарово-складчастими структурами. В глобулярних білках можливі різні варіанти:
а) частина структури – a-спіраль, друга частина – складчастий лист, частина – статичний клубок;
б) частина структури – спіраль, частина – статичний клубок;
в) складчастий лист – статичний клубок;
г) уся структура – статичний клубок.
Третинна структура – це просторове розташування вторинної будови у вигляді глобули (куля, еліпсоїд) або фібріли (товщина менше довжини у 7 або більше разів). Ця будова стабілізується зв’язками між радикалами: дисульфідними (цис-цис), водневими (асн-сер), гідрофобними (Ван-дер-Ваальсові між неполярними радикалами), складно-ефірними (між асп, глу з одного боку та сер, тре з другого), просто-естерними (сер-тре), ізопептидними (між асп та глу з одного боку та ліз, арг, гіс з другого) та іонними (між цими ж амінокислотними залишками). У місцях локалізації проліну (та оксіпроліну) ланцюг якби зламується (один водневий зв’язок, жорсткий зв’язок С-N у самому радикалі амінокислоти), загин ланцюга також проходить у місцях локалізації гліцину, де радикал – атом водню. Звичайно у центрі водорозчинного білка містяться гідрофобні амінокислотні залишки, а навколо цього ядра ланцюг з гідрофільних амінокислот, що зв’язують молекули води (рис.2).
Четвертинна структура – це об’єднання декількох первинних структур (субодиниць) у одну молекулу з участю різних зв’язків (рис. 2). Наприклад, молекула гемоглобіну складається з двох a- (по 142 амінокислотних залишки) та двох b- (по 146 амінокислотних залишків) субодиниць, причому кожна субодиниця несе по одному гему.
П’ятиринна структура характерна для білків, що виділені у кристалічному стані.
Фізико-хімічні властивості білків
Розчинність. Більшість білків розчинна у воді і у водних розчинах. Розчинність залежить від будови молекул білка і іонного складу середовища, зокрема від іонної сили і рН.
Іонна сила (m) розчину іонізованої солі визначається як половина суми концентрації кожного іона, помножена на квадрат його валентності (тобто заряду):
де с – концентрація кожного з іонів; Z – електричний заряд іона (електровалентність).
При низькій іонній силі іони, особливо однозарядні, сприяють розчиненню білка, нейтралізуючи його заряджені групи. Так, деякі білки нерозчинні у воді, але розчиняються в розбавлених розчинах NaCl. При високій іонній силі має місце зворотна дія іонів – вони сприяють осадженню білків. Все відбувається так, ніби то між білками і іонами має місце конкуренція за молекули води. Це феномен висолювання. Залежність розчинності білків від іонної сили описується рівнянням:
де S – розчинність білка; m – іонна сила середовища; b – константа, залежна від природи білка і середовища; К' – константа висолювання.
У напівлогарифмічному масштабі крива висолювання є прямою лінією, характерною для кожного даного білка.
Залежність розчинності від рН виражається, як правило, U-подібною кривою з мінімумом поблизу ізоелектричної точки. При рНi сили відштовхування між молекулами білка стають мінімальними і виникає тенденція до утворення агрегатів, які випадають в осад.
Органічні розчинники, у тому числі етанол і ацетон, осаджують білки в результаті їх денатурації. Її можна, проте, уникнути, працюючи при низькій температурі.
Денатурація білків. Вторинна і третинна структури білка обумовлені наявністю слабких зв’язків. У випадку розриву їх ці структури зникають. Такий білок називають денатурованим, його молекула стає невпорядкованою і набуває характеру „статичного клубка”. Якщо денатуруючий агент діє не дуже сильно, молекула може втратити свою структуру не повністю. Як правило, денатурація носить необоротний характер, але в деяких випадках вона буває оборотною, тобто при видаленні денатуруючих агентів білок може „ренатурувати”. Денатурація часто супроводжується осадженням білка, його молекули набувають здатності до утворення агрегантів, не здатних розчинятися в розчині. У більшості випадків у результаті денатурації білки втрачають свої біологічні властивості, наприклад ферментативну активність.
Найважливішими денатуруючими агентами є:
підвищення температури, при якій розриваються водневі та гідрофобні зв’язки;
кислоти і основи, надаючи підвищені заряди, дестабілізують загальну структуру, діючи особливо на електростатичні зв’язки;
органічні розчинники суттєвим чином впливають на гідрофобні зв’язки. Але при зниженій температурі можуть не проявляти денатуруючого ефекту;
сечовина і гуанідин утворюють з білком численні водневі зв’язки і тим самим дезорганізовують його структуру. Однак часто при видаленні цих факторів спостерігається ренатурація білкової молекули.
Денатурація ніколи не порушує ковалентних зв’язків, але вона може зробити доступними для розчинників і різних реактивів радикали, які раніше були сховані в глибині молекули.
Отже, білки у воді можуть утворювати колоїдні розчини за рахунок зарядів (обумовлених зарядженими амінокислотними залишками) та зв'язування води залишками полярних гідрофільних амінокислот. Осадження білків проводять віднімаючи воду та нейтралізуючи заряд (етанол, формальдегід, солі важких металів, розчини кислот, лугів, солей, трихлороцтової та сульфосаліцилової кислот, нагріванням). Солі типу сульфату амонію розривають іонні зв'язки, які легко відновлюються, спирт та ацетон віднімають воду, що призводить до осадження, але за умов видалення цих факторів білки відновлюють розчинність. Сильні фактори приводять до незворотнього осадження – денатурації, при цьому порушується просторова (третинна та вторинна) структура білків і зникають їх життєво важливі (нативні) функції. Денатуровані білки розвертають ланцюг, відкриваючи скриті групи, легко розщеплюються.
Електролітичні властивості. Білки є амфотерними електролітами. Групи NH2 і COOH за винятком тих, які належать кінцевим амінокислотам, не вносять внеску в утворення сумарного заряду білка, оскільки вони входять до складу пептидних зв'язків і втрачають при цьому свої заряди. Заряд білка визначається дистально розташованими групами полярних амінокислот, як кислими (Глу, Acп, Тир), так і основними (Ліз, Apг, Гіс).
У залежності від амінокислотного складу білки можуть бути кислими (багато глутамінових та аспарагінових амінокислотних залишків), лужними (багато залишків лізіну, аргініну, гістидину), нерозчинними (багато залишків гідрофобних амінокислот). У лужному середовищі білок поводить себе як поліаніон, його сумарний заряд негативний, якщо білок, розчинений в лужному буфері, помістити в електричне поле, то він мігрує у напрямку до анода. Навпаки, в кислому середовищі білок поводиться як катіон, він несе позитивний заряд і в електричному полі рухається у напрямку до катода.
При деякому проміжному значенні рН сума зарядів виявляється рівною нулю; аналогічно тому, як це було прийнято для амінокислот, таке значення рН називають ізоелектричною точкою. Ізоелектрична точка білків варіює між значеннями pHi=1 (пепсин) і pHi=10 (гістон). Для більшості білків рНi лежить в більш вузьких межах – від 4 до 7.
Ця їх властивість була використана Тізеліусом, який в 1937 р. запропонував новий метод аналізу суміші білків – електрофорез.
Розчин білків в буфері, тобто при певному значенні рН, заливають в нижню частину U-подібної трубки, доливають обидва кінці трубки тим же буфером і вмонтовують в них електроди. Якщо проводити електрофорез в лужному розчині, то всі білки заряджаються негативно і починають переміщуватися у напрямку до анода. Швидкість переміщення (електрофоретична рухливість) білка залежить від його рНi і від величини сумарного заряду при даному рН буфера. Таким чином, різні білки мігрують з різною швидкістю і відділяються один від одного. Межі між білками можна спостерігати за допомогою оптичної системи, яка реєструє зміну коефіцієнта заломлення.
Метод електрофореза в рідкому середовищі виявився достатньо складним, у зв'язку з чим Тізеліус запропонував ідею твердого носія (спочатку використовувався папір). Потім були використані інші типи носіїв – гель крохмалю, поліакриламідний гель, ацетат целюлози, які у принципі дозволяють отримати краще розділення білків, ніж папір. Техніка отримала назву зонального электрофореза.
Електрофорез в поліакриламідному гелі є дуже тонким методом аналізу. В даний час він отримав надзвичайно широке розповсюдження. Завдяки можливості задавати пористість гелю швидкість міграції білка тут залежить не тільки від його заряду, але також від форми молекули і від молекулярної маси (великі білки сильніше затримуються сіткою гелю і мігрують повільніше). Таким чином, цей метод є не тільки електрофоретичним, але в рівному ступені і гель-фільтраційним.
Антигенні властивості. Білки, як, втім, і деякі інші високомолекулярні сполуки, є антигенами. Це означає, що якщо білок, виділений з тканин однієї тварини, потрапляє в кров тварин іншого виду, то в певних клітинах останнього синтезується спеціальний білок, який поступає в кров, де він вступає в контакт з введеним препаратом – антигеном, пригнічуючи його можливу токсичну дію. Цей білок, що з'являється в організмі тварини у відповідь на введення чужорідної субстанції, називається антитілом.
Реакції такого роду називають імунологічними реакціями. Вони дозволяють зрозуміти, чому певні захворювання бактерійного або вірусного походження не можуть з'явитися двічі у одного і того ж індивідуума, а також механізм вакцинації і сироваткової терапії. Вони пояснюють також і відторгнення трансплантованих тканин. Якщо змішати в певній пропорції антигени і відповідні їм антитіла, то можна спостерігати утворення осаду. Це явище (преципітація) лежить в основі самого споживаного методу виявлення білків, заснованого на взаємодії антиген – антитіло (рис. 8).
Рис. 8. Антигенні властивості білка
Імунологічні реакції давно вже дозволили показати, що білки, нібито однакові у всіх видів тварин, насправді несуть у своїй структурі міжвидові відмінності. Розшифровка первинної структури відповідних білків підтвердила існування міжвидових відмінностей. Проте, якщо до антитіл, утворених у відповідь на ін'єкцію чужорідного білка А, додати білок схожої будови А', то можна спостерігати появу осаду, хоча спорідненість антитіл до білка А' виявляється набагато слабіше, ніж до білка А. Говорять, що має місце перехресна реакція. Вона виявляється в тих випадках, коли А і А' це аналогічні білки, отримані від дуже близьких видів (людина і мавпа, споріднені бактерії).
Резюмуючи, можна сказати, що реакція антитіло – антиген in vitro між сироваткою крові і якимсь білком реалізується при виконанні наступних умов: 1) тварині, від якої була отримана сироватка, вводять той же або дуже близький білок; 2) введений білок є чужорідним для тварини.
Та частина білка, яка безпосередньо бере участь в утворенні комплексу з антитілом, називається антигенною детермінантою. Антигенні детермінанти реагують із специфічними ділянками антитіл (не менше двох однакових ділянок на молекулу), причому в основі відповідних взаємодій лежить принцип комплементарності форм двох взаємодіючих молекул. Необхідною умовою взаємодії є інтактність структур обох білків – у разі денатурації хоча б одного з них реакція антиген – антитіло не відбувається. Асоціація антигена з антитілом здійснюється за рахунок слабих, нековалентних зв'язків.
Визначення молекулярної маси білків
Молекулярна маса білків велика, і для їх визначення часто доводиться використовувати зовсім інші методи, ніж в органічній хімії.
Осмотичний тиск. Якщо речовина, розчинена у воді, відокремлена від чистої води мембраною, проникною для води і непроникною для цієї речовини, то вода поступатиме всередину об'єму, обмеженого мембраною, в якому знаходиться розчин. Причина цього лежить в необхідності компенсувати більш низьку концентрацію води усередині об'єму. В результаті цього рівноважному стану відповідатиме більш високий рівень рідини усередині об'єму в порівнянні з рівнем води, що знаходиться зовні. Обумовлений ним надмірний тиск рівний осмотичному тиску. Величина тиску визначається співвідношенням:
де p – осмотичний тиск в атмосферах; R – універсальна газова постійна; С – мольна концентрація розчиненої речовини; T – абсолютна температура.
Величину С можна замінити на , де с – концентрація в грамах на літр, а M – молекулярна маса.
Тоді:
, звідки:
Схематичний дослід ставиться таким чином. Розчин білка в буфері заливають у мішечок, виготовлений з непроникної для білків мембрани і забезпечений трубкою, по якій може підійматися рідина. Ця трубка одночасно служить і манометром. Все це занурюють в посудину, куди налитий чистий буфер. Після досягнення рівноваги вимірюють висоту рідини в трубці і по ній обчислюють p. Цей метод придатний для не дуже великих білків, в протилежному випадку підйом рідини буде нікчемно малий. Важливо також, щоб в розчині знаходився білок тільки одного типу, інакше буде отримана цифра середньої молекулярної маси.
Аналітичне центрифугування. Центрифугування можна використовувати для фракціонування субклітинних частинок. З його допомогою можна також і осаджувати білки. Відцентрова сила прагне осадити білки на дно центрифужної пробірки, але завдяки дифузії молекули білка мають тенденцію мігрувати із зони високої концентрації в області більшого розбавлення. Застосовують два способи дослідження.
а) при відносно малій швидкості обертання після закінчення достатньо тривалого періоду часу відцентрова сила і дифузія приходять в рівновагу. Рівновага седиментації дозволяє визначити молекулярну масу білка при умові, якщо відомі параметри, які відносяться до його дифузійної здатності. Незручність цього методу в його тривалості. Арчібальд запропонував модифікацію, що дозволяє скоротити тривалість центрифугування до 1 – 2 годин.
б) при великій швидкості обертання відцентрова сила така велика, що сили дифузії виявляються в порівнянні з нею дуже малими. В цих умовах можна визначити швидкість седиментації білка. Утворюються величини в діапазоні від 1 до 200 одиниць Сведберга.
Дія відцентрової сили залежить не тільки від молекулярної маси білка, але також від форми його молекули і від зв'язків між білком і молекулами оточуючої його води.
Вимірювання такого роду проводять в аналітичних ультрацентрифугах, які служать стандартними приладами в цій області. Цей оптичний пристрій дозволяє стежити за переміщенням білка по пробірці в ході центрифугування. Осадження білка спостерігають як гауссову криву, що переміщується уздовж осі. Площа, між цією кривою і віссю абсцис, пропорційна концентрації білка. Гауссова крива утворюється в результаті відхилення світлового променя. Проходячи через розчин, промінь зустрічає на своєму шляху білок, коефіцієнт заломлення якого вище, ніж у розчинника.
Через певні проміжки час проводиться фотографування і таким чином обчислюється швидкість переміщення кривої, а отже, і швидкість седиментації білка. Результати цих вимірювань служать відправною точкою для визначення молекулярної маси.
Світлорозсіювання. Якщо освітлювати розчин солі дуже тонким пучком світла, то він проходить крізь розчин по прямій лінії. Якщо виконати те ж саме з розчином білка, то можна побачити, що частина світла розсіюється у всіх напрямках. Це явище обумовлено тим, що розміри білкових молекул співвимірні з довжиною хвилі світла і поводять себе як маленькі дзеркала, повернені у всі сторони, куди вони і розсіюють падаюче світло. Можна виміряти інтенсивність світла, яке розсіюється під різними кутами по відношенню до падаючого променя. Відношення інтенсивності світла, яке розсіяне під певним кутом (i), до інтенсивності падаючого світла (I) пропорційно концентрації білка (с) і його молекулярній масі (M), тобто:
де К – константа, залежна від конструкції приладу.
Гель-фільтрація. Ми вже говорили про те, що хроматографія на декстрані дозволяє розділяти речовини за їх молекулярними масами. Хроматографічну колонку калібрують, використовуючи для цього ряд білків з відомою молекулярною масою, потім визначають молекулярну масу досліджуваного білка, шляхом зіставлення і екстраполяції. У такий спосіб знаходять приблизне значення молекулярної маси. Метод чутливий не тільки до молекулярної маси, але і до форми білкової молекули. Для білків однакової конфігурації об'єм рідини, яка елюює білок з колонки, обернено пропорційний логарифму його молекулярної маси.
Хімічні методи. Фізичні методи завжди дають наближені результати. Їх можна доповнити даними, отриманими за допомогою хімічних методів, які самі по собі також недостатні.
Наприклад, хочуть визначити молекулярну масу гемоглобіну. Аналіз показує, що цей білок містить 0,34% заліза. Якщо вважати, що на кожну молекулу гемоглобіну доводиться один атом заліза, то, виходячи з атомної маси заліза 56, можна знайти молекулярну масу білка із співвідношення:
,
Фізичні методи дають для гемоглобіну величину молекулярної маси близько 65 000. Звідси можна визначити, що точна молекулярна маса гемоглобіну рівна 17000 ´ 4 = 68000 і, що кожна його молекула містить чотири атоми заліза.
Електронна мікроскопія. В даний час електронна мікроскопія дає збільшення в 20 Å, що дозволяє бачити білки. Підраховувавши число білкових глобул, можна отримати приблизну величину молекулярної маси. Для цього достатньо знати концентрацію білка в розчині і об'єм, який спостерігається в мікроскоп. Для того, щоб визначити цей об'єм, до розчину додають відоме число частинок латексу, які теж можна бачити в полі мікроскопа і порахувати.
Визначення молекулярної маси білкових субодиниць. В основному використовують два методи.
Електрофорез в поліакриламідному гелі з додецилсульфатом натрію (ДСН). Ми вже говорили, що при електрофорезі в поліакриламідному гелі швидкість пересування молекул білка залежить від їх заряду, форми і молекулярної маси. Якщо білок обробити денатуруючим детергентом ДСН, то, з одного боку, він денатурує і втрачає свою специфічну форму, а з іншою – розпадається на субодиниці, які приєднують ДСН і набувають однакового негативного заряду. Якщо ці субодиниці піддати електрофорезу в поліакриламідному гелі, то швидкість їх переміщення залежатиме тільки від молекулярної маси, причому вона виявляється обернено пропорційною логарифму молекулярної маси. Якщо білок складався з декількох субодиниць різної молекулярної маси, то виявиться декілька смуг.
Гель-фільтрація у присутності сечовини. Молекулярну масу субодиниць можна визначати і хроматографією на декстрані, якщо до проведення хроматографії додати до білка агент, який руйнує водневі зв'язки, наприклад сечовину високої концентрації.
Фракціонування білків.
Дуже часто задачею біохімічного дослідження є вивчення білків тканин або біологічної рідини. Рішення такої задачі доводиться починати з відділення різних білків один від одного, тобто, з їх фракціонування. У ряді випадків необхідно отримати досліджуваний білок в чистому вигляді і перевірити ступінь його чистоти за допомогою спеціальних критеріїв. Якщо вихідним матеріалом служать клітини тканин, то першим етапом роботи є розтирання або гомогенізація, за якою слідує діаліз, що видаляє присутні в середовищі малі молекули. Після цього послідовно використовують різні методи фракціонування.
Висолювання. Високі концентрації сульфату амонія і фосфатів лужних металів осаджують білки. Поступово збільшуючи концентрацію солі, можна послідовно висолити всі розчинні білки. Прийом використовують як перший ступінь фракціонування. Його ефективність невисока – майже завжди в результаті одержують ще суміш білків.
Ізоелектричне осадження. Варіюють рН середовища. Поблизу ізоелектричної точки білки мають тенденцію до випадання в осад. Таким шляхом вдається розділяти білки, які дуже відрізняються один від одного за ізоелектричною точкою.
Адсорбційна хроматографія. Деякі тверді речовини у вигляді порошків або гелів володіють здатністю зв'язувати білки слабими і малоспецифічними зв'язками. До їх числа відносяться оксид алюмінію, фосфат кальцію (гідроксил-апатит), силікагель, крохмаль.
Десорбцію білків можна проводити з використанням найрізноманітніших елюентів. Якщо елюція є виборчою, то за допомогою колектора фракцій можна збирати білки роздільно один від одного, а іноді в очищеному вигляді.
Хроматографія на іонообмінних смолах. Це один з найефективніших методів. Смоли, які зазвичай використовують для фракціонування амінокислот, тут непридатні, оскільки полімери, з яких виготовлені смоли, мають дуже часту сітку і білки не можуть проникати через її осередки. Проблема була вирішена шляхом закріплення іонізованих груп на твердому носії – целюлозі. Таким чином отримали хроматографічний метод, в якому одночасно має місце як адсорбція, так і іонний обмін. Як аніонообмінник використовують діетиламіноетилцелюлозу (ДЕАЕ-целюлозу), а як катіонообмінник – карбоксиметилцелюлозу (Км-целюлоза).
Розчинені в буфері білки подають на колонку, а потім елююють буфером у якому постійно змінюється рН (зростає або убуває). При цьому білки розділяються відповідно до їх зарядів і значення pHi. Їх збирають за допомогою колектора фракцій.
Хроматографія на декстрані (гель-фільтрація) дозволяє фракціонувати білки за молекулярною масою.
Афінна хроматографія (хроматографія за спорідненістю). Якщо білок здатний специфічно утворювати комплекси з певною речовиною, то цю речовину „пришивають” ковалентними зв'язками до інертного порошку носія і заповнюють ним хроматографічну колонку. Коли через таку колонку пропускають білкову суміш, то на ній затримується тільки здатний до утворення комплексу білок, який потім можна зняти відповідним елюентом. Таким шляхом вдається виділити певний білок з складної суміші.
Кристалізація. Іноді з її допомогою вдається отримати білок в чистому вигляді. Цим методом готують високо очищені ферментативні білки. Дуже часто кристалізацію ведуть з концентрованих сольових розчинів.
Аналіз і критерії чистоти білків. Описані нижче методи дозволяють, з одного боку, ідентифікувати різні білки, які входять до складу біологічного препарату (аналіз). З другого боку, з їх допомогою вдається показати, що в результаті виділення був отриманий дійсно індивідуальний білок (критерій чистоти). Це часто більш тонкі методи, ніж ті, які використовуються для фракціонування, і вимагають значно менших кількостей білка.
Фізичні методи. Зональний електрофорез. Методом електрофореза на ацетаті целюлози або в поліакриламідному гелі вдається розділяти дуже схожі між собою білки. Якщо білок, що вноситься, чистий, то електрофорез дає одиночну тонку смужку.
Електрофокусування. Проводять зональний електрофорез, але при цьому використовують спеціальну суміш буферів, яка забезпечує плавну зміну рН уздовж всієї довжини гелю. В кінці електрофореза кожний білок опиняється в тій зоні гелю, де рН буфера співпадає із значенням ізоелектричної точки білка рНi.
Аналітичне центрифугування. Чистий білок повинен давати при ультрацентрифугуванні один симетричний пік.
Колоночна хроматографія. Індивідуальний білок у різних хроматографічних системах повинен виходити з колонки одним симетричним піком.
Імунологічні методи. Імунологічні методи дозволяють проводити аналіз білкової суміші, дають можливість довести ідентичність двох білків різного походження або перевірити чистоту білка. Найбільш широко використовують два підходи.
Метод подвійної дифузії (Уден-Оухтерлоні). Беруть чашку Петрі і заповнюють її агаровим гелем. Вирізують в гелі два круглі отвори і заповнюють один з них досліджуваним препаратом, а інший – сироваткою тварини, імунізованої цим препаратом. Білок, що міститься в досліджуваному препараті (антиген), одночасно з антитілом дифундують в агарі. В тому місці, де вони зустрічаються, утворюється білий осад. Якщо досліджуваний препарат містить не один, а два білки, то мабуть, що вони будуть дифундувати з різною швидкістю. В цьому випадку утворюються дві роздільні смужки осадів. Таким чином можна встановити, скільки білків міститься в препараті. Ця техніка дозволяє вирішувати і важливу задачу ідентифікації білків. Нехай необхідно з'ясувати, чи є у складі складного білкового препарату певний білок А. Готують сироватку, що містить антитіла як проти досліджуваного препарату, так і проти білка А, і заповнюють нею центральний отвір агарової пластинки. Вирізують ще два отвори – в один з них поміщають комплексний антиген, а в інший – білок А. Між отвором, що містить антитіла, і отвором комплексного антигена утворюється декілька смуг. Між отворами антитіл і білка А, природно, утворюється лише одна смуга. Якщо ця остання смуга зливається своїм кінцем з однією із смуг попереднього набору так, що як би служить її продовженням, то можна стверджувати, що білок А входить до складу суміші. Якщо ж лінії не з'єднуються або перетинають одна одну, то це вказує на відсутність білка А в суміші. Таким чином, цей метод може бути використаний як критерій чистоти білка, так і ідентичності двох білків.
Імуноелектрофорез (Грабар і Вільямс). Якщо антиген є складною сумішшю білків, наприклад сироватки крові людини, то число білків, а отже, і число смуг преципітації стає настільки великим, що картина на агаровій пластинці стає нерозбірливою. Тому необхідно заздалегідь за допомогою електрофореза розфракціонувати білки на склі від мікроскопа, який покритий шаром агару, пропускаючи через нього електричний струм. Під дією струму білки, захоплюються буфером і розподіляються по довжині скла по обидві сторони від центрально розташованого отвору. Антитіла вносять в подовжню канавку. Феномен подвійної дифузії виявляється, як і в попередньому методі, даючи серію дуг, кожна з яких відповідає одному з білків, які радіально дифундують від того місця, куди він був перенесений дією струму. Цей метод чудовий не тільки для аналізу, але і як критерій чистоти препарату.
Класифікація білків
Для класифікації білків часто використовують функціональний принцип, тобто їх класифікують виходячи з основних функцій, які вони виконують під час метаболізму. За цим принципом білки поділяють на такі групи: каталітично-активні, білки-гормони, білки-регулятори активності геному, захисні, токсичні, транспортні, мембранні, скоротливі, рецепторні, білки-інгібітори ферментів, білки вірусних оболонок, білки з іншими функціями. Хоча функціональна класифікація теж має деякі недоліки, зокрема при класифікації біфункціональних білків, проте вважають, що вона дає змогу глибше зрозуміти взаємозв’язок структури, властивості і функції молекул білка, закономірності їх еволюції та взаємодії з іншими речовинами.
Відомо понад 2000 білків тваринного, рослинного і мікробного походження. Їх класифікують переважно за фізико-хімічними властивостями та хімічним складом. За цими ознаками білки поділяють на дві групи – прості (протеїни) і складні (протеїди). Прості білки (протеїни) складаються тільки з залишків амінокислот; це лужні гістони та протаміни, рослинні нерозчинні проламіни та розчинні глутеліни, альбуміни та глобуліни, фібрилярні білки сполучної тканини (протеіноїди). Складні білки (протеїди) складаються з білкової (апобілок) та небілкової (простетична група, кофактор) частини. Це фосфопротеїди (містять залишок ортофосфорної кислоти), металопротеїди (містять іони металів), гемопротеїди (містять гем), хромопротеїди (містять вітаміни), глікопротеїди (містять вуглеводи), ліпопротеїди (містять ліпіди), нуклеопротеїди (містять нуклеїнові кислоти). Специфічні ділянки білка, що утворені унікальним розташуванням радикалів амінокислот, які необхідні для зв'язування та виконання специфічної функції зв'язування називаються доменами. Наприклад, у деяких ядерних білків містяться домени (з N- до С-кінця): мембранозв'язуючий, сполучний (шарнірний), регулятор-зв'язуючий, ДНК-зв'язуючий, для транспортуючого білка.
Залежно від фізико-хімічних властивостей, хімічного складу і значення розрізняють такі протеїни:
Альбуміни. Ці білки містяться в крові, лімфі, лікворі, насінні рослин, мікробах. До альбумінів належать лактальбумін, сироватковий альбумін, легумелін (гороху), лейкозин (пшениці). Альбуміни висолюються сульфатом амонію та іншими нейтральними солями лише при 80 – 100%-ному насиченні розчину. Молекулярна маса альбумінів коливається від 35 тис. до 70 тис. Добре розчиняються у воді і в розчинах солей. Виконують пластичні функції в тканинах і клітинах. До складу альбумінів входять лейцин (до 15%), лізин, аспарагінова і глутамінова кислоти, а також деяка кількість вуглеводів.
Глобуліни. За формою молекул глобуліни відносяться до глобулярних білків. Розрізняють сироваткові, молочні і яєчні глобуліни. До глобулінів належать міозин, тиреоглобулін, нейроглобулін, нейростромін, едестія конопель, гліцинін сої, фазеолін квасолі. На відміну від альбумінів глобуліни не розчиняються у воді, висолюються 30 – 50%-ним розчином сульфату амонію. Молекулярна маса глобулінів – від декількох тисяч до декількох мільйонів.
Важливе значення мають глобуліни плазми крові: a, b і g. g-Глобуліни є носіями імунітету, тому їх використовують для імунізації проти різних інфекційних захворювань. Кількісне співвідношення між альбумінами і глобулінами виражається альбуміно-глобуліновим коефіцієнтом (А/Г). У клінічно здорових він рівний 2, зменшується при деяких хворобах. До складу глобулінів входять амінокислоти: гліцин (3 – 4%), лейцин, валін, лізин, серин, глутамінова кислота, а також деяка частина вуглеводів.
Гістони відкриті А. Косселем у 1910 р. Мають молекулярну масу від 5 тис. до 37 тис. Гістони легко розчиняються у воді, при додаванні аміаку осаджуються, мають основні властивості, які обумовлені високим вмістом діаміномонокарбонових амінокислот (20 – 35%). До складу гістонів входять аргінін, лізин, гістидин. Багаті гістонами тканини залоз внутрішньої секреції (зобна), сперма риб, лейкоцити, еритроцити. За вмістом лізину і гістидину гістони розділяють на декілька фракцій. Гістони утворюють комплексні сполуки з ДНК – нуклеогістони. Приєднання і відщеплення гістона до молекули ДНК регулює біосинтез РНК і білка. Гістони забезпечують унікальну структуру ДНК, є складовою частиною гемоглобіну і багатьох складних білків.
Протаміни. Ці білки були відкриті Ф. Мішером і А. Косселем у складі нуклеопротеїдів сперми риб. Знайдені також у тканинах багатьох паренхіматозних органів (печінці, селезінці, нирках) і залозах внутрішньої секреції. Молекули протамінів побудовані в основному із залишків діаміномонокарбонових кислот, особливо багаті аргініном (до 70 – 87%). Мають основні властивості, утворюють солі з кислотами. При кип’ятінні не денатурують, легко розчиняються у воді. Амінокислотний склад протамінів, наприклад сальмін сьомги, наступний: 85% залишків аргініну, інше – серин, пролін, валін, гліцин, ізолейцин і аланін. В ядрах клітин протаміни асоціюють з ДНК. Виконують функції третьої спіралі ДНК, обмотуючи останню зовні. Малорозчинний комплекс протамінів з інсуліном використовується в медицині.
Проламіни. Всі проламіни – рослинні білки, цінні продукти харчування: гліадин пшениці і жита, гордеїн ячменю, зеїн кукурудзи, аверин вівса, оризин рису, каферин сорго. Вони погано розчиняються у воді, але добре в 60 – 80%-ному етанолі. Одержують проламіни екстракцією в 70%-ному етанолі з подальшою відгонкою спирту у вакуумі. Ці білки багаті проліном і глутаміновою кислотою. Так, молекула проламіна на 10 – 15% складається з проліна, на 20 – 50% з глутамінової кислоти, інші амінокислоти складають незначний відсоток. Проламіни бідні лізином. Їх молекулярна маса досягає 75 тис. Компонентний склад проламінів (наприклад, гліадина) генетично детермінований і визначає сорт рослини.
Глутеліни. Є важливими кормовими і харчовими білками. Містяться в зелених частинах рослин (до 43% складу білків) і зерні злаків. Розчиняються в розбавлених розчинах лугів і кислот. Молекули глутелінів багаті залишками глутамінової кислоти і лізину. Було виділено багато глутелінів: глутеліни пшениці і кукурудзи, оризенін рису. В зерні пшениці гліадин і глутенін утворюють клейковину, що визначає хлібопекарські якості зерна.
Протеїноїди (склеропротеїни). Протеїноїди, або опорні білки, поширені в організмі тварин. Молекулярна маса до 10 тис. Протеїноїди не розчиняються в холодній воді, розчинах лугів, кислот і солей, майже не розщеплюються протеолітичними ферментами, міцні і еластичні. В організмі виконують опорні функції. Речовини, близькі до протеїноїдів, були отримані в експериментах, які моделюють походження життя на Землі. До них належать:
Колаген – фібрилярний протеїноїд. Молекула колагену складається з трьох поліпептидних ланцюгів, закручених у спіраль. Колаген складає третину білків організму, є основним структурним компонентом сполучної тканини: сухожиль, зв'язок, хрящів, кісток, основи шкіри, луски риб. Молекули колагену мають ниткоподібну форму завдовжки – до 300 і завширшки до 1,5 нм. Для молекули колагену характерна повторюваність групи гліцин–проліл–оксипроліл. При тривалому кип’ятінні з водою колаген утворює желатину. Вона використовується для виготовлення столярного клею, в харчовій промисловості, в бактеріології (середовище), в хірургії (зупинка кровотеч), ін.
Кератин – фібрилярний білок. Кератин складає основу епідермісу, волосся, шерсті, пір’я, рогів, копит, луски. Розчиняється у воді, розчинах кислот, лугів, солей і в органічних розчинниках. При тривалому гідролізі з мінеральними кислотами розщеплюється до 7 – 14 різних амінокислот. Кератин багатий цистином, лейцином і глутаміновою кислотою. Має високу молекулярну масу (до 200 тис.). У складі молекули кератину виявлені скручена a-спіраль і розтягнута b-форма. Основною структурною одиницею a-спіралі є циліндрові мікроволокна, які складаються зі скручених попарно у вигляді спіралі протофібрил.
Еластин – опорний білок еластичних тканин. Складає білкову основу зв'язок, сухожиль, середньої оболонки великих артерій і вен. Еластин не розчиняється у воді навіть при кип’ятінні. В тонкій кишці частково розщеплюється ферментом еластазою. До складу молекули еластина входять гліцин, пролін, валін, лейцин та інші амінокислоти, окрім цистеїну, оксилізину, метіоніну і триптофану.
Фіброїн – білок шовкової нитки. Стійкий до гідролізу. Містить до 44% залишків гліцину, а також аланін і тирозин.
Протеїди розрізняють залежно від природи простетичної групи: нуклеопротеїди, хромопротеїди, фосфопротеїди, ліпопротеїди і глікопротеїди. Іноді до них відносять протеїдні комплекси.
Нуклеопротеїди. Складні білки, що складаються з простих білків і нуклеїнових кислот. Відкриті Ф. Мішером у 1868 р. у клітинах гною. Пізніше знайдені в різних клітинах людини, тварин, рослин, мікробів і вірусів. Білкова частина нуклеопротеїдів найчастіше складається з гістонів або протамінів. Залежно від природи нуклеїнової кислоти розрізняють два види нуклеопротеїдів – дезоксирибонуклеопротеїди (ДНП) і рибонуклеопротеїди (РНП).
Хромопротеїди. Складні білки, молекула яких складається з простого білка і забарвленої простетичної групи. Простий білок найчастіше представлений гістонами, простетичні групи – похідними ізоалоксазина (флавінові ферменти), каротину (родопсин) і порфірину (гемоглобін, міоглобін, геміновими ферментами – каталаза, пероксидаза, цитохромоксидаза, ін.).
Гемоглобін – червоний залізовмісний білок крові. Його молекула складається з білка глобіну і забарвленої речовини гема, яка містить комплексно зв'язане залізо. Хімічна будова встановлена M.В. Ненцьким у 1897 р. Г. Фішер у 1929 р. здійснив синтез похідного гема – гематина. Специфічність гемоглобіну для кожного виду тварин визначається хімічною будовою глобіну, оскільки гем для всіх хребетних однаковий. Кожний гем оточений одним з чотирьох поліпептидних ланцюгів глобіну. Молекула гемоглобіну складається з двох симетричних половинок. Кожна половинка має два ланцюги: a і b. a-Ланцюг містить 141 амінокислотний залишок b-ланцюг – 146. Таким чином, молекула гемоглобіну складається з 574 амінокислотних залишків. Гем зв'язаний з глобіном через гістидиновий залишок поліпептидного ланцюга. В зібраній у тетрамер молекулі всі чотири гема розміщені на поверхні і легко доступні для взаємодії з О2, CO2, СО. Субодиниці зв'язуються між собою сольовими, водневими і іншими зв'язками, які можуть легко розпадатися під впливом різних чинників на димери і частково на мономери.
Гемоглобін – головний структурний і хімічний компонент еритроцитів. Складає близько 94% сухої маси еритроцитів. У кожному еритроциті міститься близько 280 млн. молекул гемоглобіну.
Міоглобін. Молекула цього хромопротеїду утворена одним гемом і однією молекулою глобіну. Міститься в м'язовій тканині, де депонує кисень і передає його відповідним ферментним системам. Проявляє більшу спорідненість до кисню, ніж гемоглобін. У наземних тварин міоглобін зв'язує близько 10% всього кисню тканин (у людини – 14%), у морських тварин (дельфіна, тюленя, кита) – до 40%. У наземних тваринних міоглобін складає 2% сухої маси м'язів, у морських – до 20%. Структура молекули міоглобіну була вивчена Д. Кендрю у 1960 р. Молекула міоглобіну представлена довгим спіралевидним поліпептидним ланцюгом, що складається з 153 амінокислотних залишків, і гемом. Молекулярна маса – 17 тис. Міоглобін з газами утворює такі ж сполуки, як і гемоглобін (оксиміоглобін, карбоксиміоглобін, метміоглобін).
Фосфопротеїди. Молекули фосфопротеїдів при гідролізі розщеплюються до простих білків і ортофосфорної кислоти. Ортофосфорна кислота приєднується до молекули протеїну по місцю розміщення ОН-груп оксиамінокислот (серина і треонина). Це кислі білки за рахунок наявності у складі залишків ортофосфорної кислоти. Ортофосфорна кислота в молекулі фосфопротеїду утворює моно- і диефірні зв'язки, а в окремих випадках – пірофосфатні, які з’єднують поліпептидні ланцюги в білкову молекулу.
Казеїн – білок молока і молочних продуктів. Утворюється з казеїногена, від молекули якого при зсіданні відщеплюється пептид. Розчиняється в сольових розчинах, але не розчиняється у воді. При дії кислот випадає в осад. Молекулярна маса 24 – 400 тис. Складається з трьох фракцій – a, b і g. Молекула казеїну складається із залишків всіх незамінних амінокислот. Казеїн багатий лейцином, валіном, лізином, метіоніном і триптофаном. Найцінніша поживна речовина для новонароджених і дітей, джерело фосфору для утворення кісток, багатьох білків, фосфатидів, макроергів, коензимів. У промисловості використовується для добування пластмас, штучних волокон, багатьох фарб, клею.
Пепсин – основний фермент шлункового соку, найкраще діє в слабокислому середовищі. Розщеплює білки до пептидів. Був відкритий T. Шванном у 1836 р. і отриманий у вигляді кристалів Д. Нортропом у 1930 р. Молекулярна маса близько 34500. Молекула представлена поліпептидним ланцюгом, який складається з 340 амінокислотних залишків, трьох внутрішніх дисульфідних зв'язків і залишку фосфорної кислоти. Синтезується головними клітинами залоз дна шлунку у вигляді неактивного пепсиногену, після відщеплення від нього пептиду перетворюється на активний фермент.
До фосфопротеїдів відносяться білки курячого яйця, зокрема, овоальбумін – основа білка і білки жовтка, вітелін, вітеленін і фосфовітин.
Ліпопротеїди. Це складні білки, молекула яких складається з простого білка і ліпіду. Ліпопротеїди розчиняються у воді і мало (або зовсім) не розчиняються в органічних розчинниках. Ліпопротеїди – основа біологічних мембран і пластинчатих структур – мієлінових оболонок нервових волокон, хлоропластів та ін. Зустрічаються у вільному стані в лімфі, крові, молоці, яєчному жовтку. Синтез ліпопротеїдів забезпечує транспорт і розчинення ліпідів (та інших речовин) в тканинах і клітинах. Вітаміни А, D, E, К і F транспортуються в клітини у вигляді ліпопротеїдних комплексів з b-глобулінами плазми крові.
Детально вивчені a- і b-ліпопротеїди плазми крові. Перші з них складають близько 3% білків плазми крові. Їх молекула на 65% складається з протеїну і на 35% з ліпіду. b-Ліпопротеїди складають близько 5% білків плазми крові. Їх молекула містить близько 25% протеїну і 75% ліпіду. Молекулярна маса перших – близько 200000, других – 1300000.
За швидкістю осідання при центрифугуванні ліпопротеїди ділять на чотири групи:
1) високої густини (містять 52% протеїну і 48% ліпідів, головним чином фосфатидів); 2) низької густини (21% білка і 79% ліпідів, в основному холестерину); 3) дуже низької густини (9% білка і 91% ліпідів, в основному тригліцеридів); 4) хіломікрони (1% білка і 99% жирів).
У молекулах ліпопротеїдів білкова частина з'єднується з ліпідом завдяки різним видам хімічного зв'язку (особливо іонного). Розчиненню ліпопротеїдів у тканинних рідинах і клітині сприяє структура їх молекули, оскільки білкова частина молекули з гідрофільними групами знаходиться зовні, а гідрофобні ділянки розміщуються всередині. Іноді ліпідна частина зосереджена у вигинах поліпептидного ланцюга, що сприяє розчинності білка.
Глікопротеїди. Молекули глікопротеїдів при гідролізі розщеплюються на простий білок і вуглеводну простетичну групу, яка зазвичай складається з гіалуронової і хондроітинсірчаної кислот, гепарина, деяких глікополісахаридів. При гідролізі простетичної групи утворюються гексози (маноза, галактоза, глюкоза), гексозаміни (глюкозамін, галактозамін) і кислоти (глюкуронова, оцтова, сірчана). Молекулярна маса білків різна – від декількох десятків тисяч до мільйонів. Білки містяться у всіх тканинах тварин і рослин, в мікробах і вірусах. Вміст вуглеводної частини в глікопротеїді варіює від декількох часток відсотка до 80%. Зв'язок у молекулі глікопротеїду між білковою частиною і простетичною групою міцний і розривається тільки після тривалого кислотного або ферментативного гідролізу. Він зазвичай формується за рахунок взаємодії вуглеводного компоненту з СООН-групою залишку аспарагінової кислоти. Найбільш поширені в організмах муцини і мукоїди.
Муцини – слизові виділення епітеліальних покривів слизових оболонок харчового каналу, дихальних і сечостатевих шляхів, слинних залоз. Виконують захисну функцію, оберігаючи оболонки від механічних і хімічних пошкоджень. Стійкі до гідролізу.
Мукоїди – глікопротеїди хрящової (хондромукоїди) і кісткової (остеомукоїди) тканин, яєчного білка (овомукоїд), синовії, склоподібного тіла ока, зв'язок і сухожиль і т.д. Значення їх різноманітне і визначається функцією органу і тканини.
До глікопротеїдів відносяться деякі гормони передньої частини гіпофіза – тиреотропін і фолікулостимулюючий, речовини які визначають групу крові, імуноглобуліни, деякі білки крові і тканин (протромбін), ферменти та ін.
Лекція № 5. Нуклеїнові кислоти.
Нуклеїнові кислоти були відкриті швейцарським ученим Ф. Мішером у 1869 p. в ядрах лейкоцитів. У зв'язку з тим що вони вперше були виявлені в ядрах клітин, то спочатку їх називали нуклеїном (nucleus – ядро). Пізніше в нуклеїні була відкрита фосфорна кислота і його стали називати нуклеїновою кислотою. Ще пізніше було встановлено, що нуклеїнова кислота міститься не тільки в ядрах лейкоцитів, а й в ядрах різних клітин. Потім нуклеїнова кислота (дещо відмінна від тієї, що міститься в ядрах) була знайдена і в цитоплазмі клітин. Так було доведено, що нуклеїнові кислоти містяться в усіх клітинах організмів і відіграють важливу біологічну роль, зокрема є основними носіями передачі спадковості та беруть безпосередню участь у синтезі білків в організмі.
Хімічний склад і будова нуклеїнових кислот
Нуклеїнові кислоти, як і білки, є високомолекулярними сполуками. Вони побудовані з великої кількості структурних одиниць, які називаються нуклеотидами, тобто нуклеїнові кислоти – полінуклеотиди.
Нуклеотиди – це трикомпонентні сполуки. Вони складаються з пуринових або піримідинових основ, пентоз і фосфорної кислоти. З пуринових основ до складу нуклеотидів входить в основному аденін (6-амінопурин) або гуанін (2-аміно-6-оксипурин):
З піримідинових основ у складі нуклеотидів виявлені переважно урацил (2,4-дигідроксипіримідин), тимін (2,4-дигідрокси-5-метилпіримідин) і цитозин (2-гідрокси-4-амінопіримідин):
Крім основних азотистих основ у складі нуклеїнових кислот в невеликих кількостях містяться так звані мінорні (рідкісні) основи як пуринового, так і піримідинового ряду. Прикладом їх можуть бути 1-метиладенін, 1-метилгуанін, дигідроурацил, 3-метилурацил, 5-гідроксиметилцитозин, псевдоуридин (нуклеозид) та ін.:
Підвищену кількість мінорних основ (до 20 %) виявлено в транспортних РНК.
Із вуглеводних компонентів – пентоз – до складу нуклеотидів входить в b-D-рибофуранозній формі рибоза або дезоксирибоза:
Встановлено, що в складі окремих фагових ДНК крім рибози і дезоксирибози виявлена також глюкоза.
Як уже зазначалося, компонентом нуклеотидів є фосфорна кислота:
Азотисті основи, сполучаючись з пентозою, утворюють дещо простіші за нуклеотиди сполуки – нуклеозиди. У нуклеозидах пуринові або піримідинові основи зв'язуються з рибозою або дезоксирибозою b-N-глікозидним зв'язком. Існують два види глікозидних зв'язків – a і b. Вони визначаються природою вуглеводного компонента. У складі нуклеїнових кислот є лише b-глікозидні зв'язки, оскільки до їх складу входить рибоза або дезоксирибоза в b-формі. В зв'язку з цим N-глікозидний зв'язок має b-конформацію. В утворенні N-глікозидного зв'язку в пуринових основах бере участь азот N-9, в піримідинових – N-1, а в пентозах – вуглець С-1:
Назва нуклеозидів походить від назви азотистої основи. Так, сполуки аденіну з рибозою називають аденозином, цитозину з рибозою – цитидином. Якщо в їх складі замість рибози була б дезоксирибоза, то нуклеозиди мали б назву відповідно дезоксиаденозин і дезоксицитиднн. Нуклеозиди, приєднуючи до себе фосфорну кислоту, утворюють основну структурну одиницю нуклеїнових кислот – нуклеотиди. Отже, нуклеотиди містять у своєму складі азотисту основу, пентозу і залишок фосфорної кислоти (табл. 1).
Таблиця 1.
Компоненти нуклеїнових кислот і їх позначення
|
Азотиста основа |
Нуклеозид |
Рибонуклеотидфосфат |
Дезоксирибонуклеотидфосфат |
||||
|
моно- |
ди- |
три- |
моно- |
ди- |
три- |
||
|
Аденін (А) |
Аденозин |
АМФ |
АДФ |
АТФ |
дАМФ |
дАДФ |
дАТФ |
|
Гуанін (Г), (G) |
Гуанозин |
ГМФ |
ГДФ |
ГТФ |
дГМФ |
дГДФ |
дГТФ |
|
Цитозин (Ц), (С) |
Цитидин |
ЦМФ |
ЦДФ |
ЦТФ |
дЦМФ |
дЦДФ |
дЦТФ |
|
Тимін (Т) |
Тимідин |
— |
— |
— |
дТМФ |
дТДФ |
дТТФ |
|
Урацил (У), (U) |
Уридин |
УМФ |
УДФ |
УТФ |
— |
— |
— |
Назва нуклеотидів походить від назви основ, що входять до їх складу, або від назви нуклеозиду. Так, якщо нуклеотид містить азотисту основу аденін, то він називається аденіловою кислотою, або аденозинмонофосфорною кислотою (АМФ); якщо азотистою основою є цитозин, то нуклеотид називається цитидиловою кислотою, або цитидинмонофосфорною кислотою (ЦМФ):
Аналогічний принцип назви властивий і для нуклеотидів, які замість рибози містять дезоксирибозу. Відмінність полягає тільки в тому, що до назви нуклеотиду додається префікс дезокси- (д):
Нуклеотиди, до складу яких входить рибоза, називаються рибонуклеотидами, а якщо до складу входить дезоксирибоза – дезоксирибонуклеотидами. Як видно з наведених вище прикладів, фосфорна кислота зв'язана з п'ятим вуглецевим атомом пентози. Необхідно зазначити, що приєднання фосфорної кислоти до залишку пентози може проходити в другому або третьому положенні.
Встановлено, що нуклеотиди входять не тільки до складу нуклеїнових кислот, а можуть перебувати у вільному стані або бути складовими частинами ферментних систем, наприклад аденозинфосфорних кислот – АМФ, АДФ і АТФ:
Аденозинмонофосфорна кислота, приєднуючи до залишку фосфорної кислоти ще один або два таких залишки, утворює аденозиндифосфорну (АДФ) або аденозинтрифосфорну (АТФ) кислоту. Ці аденозинфосфорні кислоти відіграють важливу роль в обмінних процесах організму. Зокрема, АТФ бере участь в енергетичному обміні організму і є однією з основних макроергічних сполук. При відщепленні від АТФ однієї або двох молекул фосфорної кислоти, які зв'язані між собою макроергічним зв'язком (~), виділяється 32,8 – 42 кДж/моль енергії, тоді як енергія звичайного фосфорного зв'язку 8 – 12 кДж/моль.
В обміні речовин та енергії беруть участь й інші фосфорильовані нуклеотиди, зокрема ті, які містять гуанін, цитозин і урацил. Проте у процесах обміну речовин і енергії основна роль належить АТФ.
Аденозинтрифосфорна кислота при каталітичній дії ферменту аденілатциклази може відщеплювати два залишки фосфорної кислоти й утворювати аденозин-3',5'-монофосфорну кислоту, тобто циклічну АМФ:
Циклічна АМФ (цАМФ) відіграє важливу роль у регуляції каталітичної дії ферментів та цілого ряду метаболічних процесів в організмі. Крім цАМФ відомо ще два циклічних нуклеотиди – циклічна гуанозинмонофосфорна (цГМФ) і циклічна цитидинмонофосфорна (цЦМФ) кислоти. цГМФ міститься у багатьох тканинах організму. Вона діє так, як і цАМФ, проте викликає зовсім протилежний ефект. Якщо цАМФ є активатором цілого ряду ферментів, то цГМФ пригнічує їх активність. Біологічна роль цГМФ вивчена мало.
Будова нуклеїнових кислот
Окремі нуклеотиди, які побудовані з пуринових або піримідинових основ, рибози або дезоксирибози і залишку фосфорної кислоти, сполучаючись між собою, утворюють ди-, три-, тетра-, пента- гекса- і полінуклеотиди, тобто нуклеїнові кислоти. До складу нуклеїнових кислот входять сотні і тисячі окремих нуклеотидів. Вони з'єднані між собою за допомогою фосфоефірного зв'язку, який утворюється внаслідок взаємодії гідроксильної групи, що знаходиться біля 3'-го атома вуглецю пентози одного нуклеотиду з залишком фосфорної кислоти, який знаходиться біля 5'-го атома вуглецю пентози наступного нуклеотиду.
На кінцях полінуклеотидного ланцюга знаходяться пентози. Один ланцюг містить вільну групу ОН в положенні 3¢ а другий – фосфорильовану групу ОН в положенні 5¢. Початок ланцюга позначається фосфатом при 5'-вуглеці пентози, а кінець ланцюга – гідроксильною групою при 3'-вуглеці пентози. Скорочено напрямок ланцюга позначається 5'®3¢.
Нуклеїнові кислоти залежно від хімічного складу, структури і біологічної ролі поділяють на дві групи: рибонуклеїнові кислоті (РНК) і дезоксирибонуклеїнові кислоти (ДНК).
Рибонуклеїнові кислоти побудовані з рибонуклеотидів, які крім залишку фосфорної кислоти містять вуглеводний компонент (рибозу) і азотисті основи (аденін, гуанін, урацил і цитозин).
До складу дезоксирибонуклеотидів входять нуклеотиди, у яких вуглеводний компонент не рибоза, а дезоксирибоза та азотисті основи – аденін, гуанін, цитозин і замість урацилу – тимін.
Отже, РНК і ДНК відрізняються між собою за хімічним складом тим, що перша містить рибозу і урацил, а друга – дезоксирибозу і тимін. Нижче подано будову фрагментів полінуклеотидних ланцюгів РНК і ДНК (рис. 1).
Рис. 1. Фрагменти ланцюгів нуклеїнових кислот
Дезоксирибонуклеїнові кислоти (ДНК)
ДНК є основним генетичним матеріалом живих систем. У організмах, за винятком вірусів і бактерій, вона сконцентрована в ядрах клітин. Невелика кількість ДНК міститься в мітохондріях, хлоропластах та в деяких інших включеннях клітин.
Характерною ознакою ДНК є висока її молекулярна маса. Вона коливається в досить широких межах і залежить насамперед від того, з якого організму виділена. Зараз найкраще вивчена молекулярна маса ДНК вірусів і фагів. Вона вимірюється десятками і сотнями мільйонів. Так, молекулярна маса бактеріофагу Фd становить 1,9 млн., аденовірусу – 21 млн., а бактеріофагу Т4 – 111 – 131 млн. Молекулярна маса ДНК еукаріот, очевидно, ще вища. Про це може свідчити молекулярна ДНК плодової мушки дрозофіли, яка становить 40 ´109.
Для ДНК, як і для білків, властиві кілька рівнів структур: первинна, вторинна і третинна.
Первинна структура – це порядок (певна послідовність) розміщення мононуклеотидів у полінуклеотидних ланцюгах ДНК. Вивчення цієї структури становить певні труднощі, оскільки різні види ДНК побудовані з великої кількості мононуклеотидів – сотень і навіть тисяч. Крім того, послідовність розміщення чотирьох різних мононуклеотидів у полінуклеотидних ланцюгах різних видів ДНК неоднакова. Унікальність кожної ДНК визначається саме послідовністю розміщення мононуклеотидів в її молекулі. Виходячи з цього, дослідження первинної структури ДНК якісного складу, кількісного вмісту та порядку чергування мононуклеотидних ланок у полінуклеотидних ланцюгах є досить важливою проблемою, над вирішенням якої працювали вчені різних країн, починаючи з початку XX ст.
Тривалий час первинну структуру ДНК вивчали на основі другорядних даних: локалізації пуринових і піримідинових блоків, фізико-хімічних властивостей, розподілу мінорних основ тощо. Переломним етапом у цих дослідженнях стало впровадження та вдосконалення нових методів, таких як електрофорез у поліакриламідному гелі, рентгеноструктурний аналіз, радіоавтографія та відкриття ферментів рестриктаз. Дані ферменти мають точно визначену субстратну специфічність і можуть здійснювати секвенування полінуклеотидних ланцюгів за місцем локалізації певних мононуклеотидів пуринового та піримідинового ряду з утворенням фрагментів з відомими кінцевими послідовностями мононуклеотидів (залежно від виду рестриктаз). Утворені фрагменти, завдяки наявності в них негативного заряду (за рахунок дисоційованих фосфатних груп), розділяють методом електрофорезу в поліакриламідному гелі. Даний метод виявився досить чутливим і дає змогу розділяти фрагменти ДНК, які відрізняються за довжиною на одну мононуклеотидну ланку.
Чергування мононуклеотидних ланок в утворених коротких фрагментах ДНК визначають за допомогою методів, в яких використовують радіоактивний фосфор (Р32) та секвенацію за участю хімічних реагентів (дифенілсульфату, гідразину тощо), які забезпечують розривання міжнуклеотидних зв'язків за місцем локалізації одного з чотирьох нуклеозидмонофосфатів (А, Т, Г, Ц). Потім зразки розділяють методом гель-електрофорезу. За даними радіоавтограм, електрофореграм визначають первинну структуру коротких фрагментів ДНК. Чергування мононуклеотидів у всій молекулі ДНК визначають по перекриванню послідовностей мононуклеотидів, добутих внаслідок використання рестриктаз, що мають різну субстратну специфічність.
Даний метод вивчення первинної структури ДНК було розроблено в другій половині 70-х років. Він дістав назву методу секвенування Свердлова-Максама-Гілберта. Дещо раніше (1975 р.) В. Гілберт запропонував метод вивчення первинної структури ДНК на основі одержання РНК-вих копій певних її ділянок за участю ферменту РНК-полімерази з наступним розшифруванням їхньої структури. Застосування цих методів дало змогу розшифрувати первинну структуру ДНК різних організмів: вірусу SV-40, бактеріофагів yХ-174, а також окремих ділянок ДНК-еукаріот – гена гормону соматостатину, гена тирозинової тРНК, гена g-глобуліну людини тощо. Нині вчені багатьох країн світу працюють над програмою „геном людини”, метою якого є розшифрування первинної структури всієї ДНК організму – геному (сукупності генів, у яких закодована генетична інформація).
При вивченні первинної структури ДНК певний інтерес становило дослідження щодо співвідношення окремих нуклеотидів у полінуклеотидних ланцюгах. Американським ученим Е. Чаргаффом та його співробітниками було виконано комплекс досліджень і на основі добутих даних виведено ряд важливих правил, які дістали назву правил Чаргаффа:
1. Сума пуринових нуклеотидів дорівнює сумі піримідинових нуклеотидів:
(Пур = Пір, або ).
2. Молярний вміст аденіну (А) дорівнює молярному вмісту тиміну (Т):
(А = Т, або ).
3. Молярний вміст гуаніну (Г) дорівнює молярному вмісту цитозину (Ц):
(Г = Ц, або ).
4. Відношення суми молярних концентрацій Г і Ц до суми молярних концентрацій А і Т у різних видів ДНК відрізняється між собою.
5. В одних видах ДНК, зокрема виділених з організму тварин, вищих рослин і багатьох мікроорганізмів, нуклеотиди, що містять аденін і тимін, переважають над нуклеотидами, що містять гуанін і цитозин (А + Т > Г + Ц). Такі дезоксирибонуклеїнові кислоти називаються ДНК АТ-типу.
В інших ДНК, виділених із мікроорганізмів і бактерій, нуклеотиди, які містять гуанін і цитозин, переважають над нуклеотидами, які містять аденін і тимін (Г + Ц > А + Т). Такі ДНК утворюють ГЦ-тип дезоксирибонуклеїнових кислот.
У природі переважають ДНК АТ-типу.
Значний внесок у вивчення хімічного складу нуклеїнових кислот зробили також академіки А.М. Білозерський і О.С. Спірін. Одержані ними дані дали змогу виявити видову специфічність ДНК у рослин і тварин.
Вивчення нуклеотидного складу ДНК різних організмів показало, що він коливається у мікроорганізмів, водоростей, грибів і особливо у бактерій. Специфічний склад ДНК у них настільки виражений, що може бути однією з надійних систематичних ознак. Нуклеотидний склад ДНК у тварин і вищих рослин, на відміну від мікроорганізмів, коливається в значно менших межах. Так, якщо у бактерій коефіцієнт специфічності ДНК, тобто відношення , змінюється від 0,45 до 2,8 (у 6 разів), то у вищих рослин і різних видів тварин він становить 0,54 – 0,94 (змінюється лише в 2 рази).
При вивченні первинної структури ДНК прокаріот і еукаріот були встановлені закономірності, які стосуються чергування мононуклеотидів у полінуклеотидннх ланцюгах.
ДНК прокаріот:
1. У молекулах ДНК, виділених з бактеріофагів, майже всі послідовності нуклеозидмонофосфатів унікальні (зустрічаються лише один раз). Вони несуть інформацію про первинну структуру іРНК і виконують роль матриць під час синтезу білків з суворо генетично детермінованою первинною структурою.
2. У молекулах ДНК бактерій унікальні послідовності мононуклеотидів перериваються послідовностями, що повторюються. Так, у геномі Е. соlі зустрічається шість ідентичних ділянок, які кодують рибосомальні РНК (рРНК).
3. Серед коротких послідовностей, що повторюються в хромосомах бактерій, знаходяться IS-елементи (мігруючі елементи ДНК).
Деякі характерні особливості та закономірності нуклеотидного складу було встановлено і для ДНК еукаріот. Так, на структурі ДНК еукаріот виявлено кілька видів послідовностей нуклеозидмонофосфатів.
ДНК еукаріот:
1. Послідовності, які складають 64 % геному і включають ділянки ДНК, що містять структурні гени або цистрони. Вони несуть інформацію про синтез молекул іРНК.
2. Послідовності, що повторюються і кодують переважно тРНК та сполуки, що необхідні організму в значних кількостях. Дані послідовності утворюють так звані тандемні повтори.
3. Послідовності, що часто повторюються (сотні тисяч і мільйони разів). Вони складають так звану сателітну ДНК (від лат. satelles – супутник). Таку назву вона дістала в зв'язку з тим, що її можна відділити методом центрифугування в градієнті концентрацій хлориду цезію.
Сателітна ДНК мишей містить послідовності 5'–АААААГГАА–3" 3¢–ТГТТТАЦГ–5", які повторюються більше 300 разів. Особливістю сателітних ДНК є наявність в їхньому складі чергування комбінацій з трьох, а не чотирьох нуклеозидмонофосфатів.
У людини виявлено чотири сателітні ДНК, які становлять 4% хромосомної ДНК. Сателіти, як правило, знаходяться в центромерному гетерохроматині і беруть участь у спарюванні та розходженні хромосом.
4. Зворотні повтори – паліндроми (від грец. Palindromos – перевертень, той, що вертається). Паліндроми – послідовності мононуклеотидів, що повторюються в зворотньому порядку. При цьому послідовності нуклеозидмонофосфатів в одному з ланцюгів паліндрому співпадають з послідовностями нуклеозидмонофосфатів у другому ланцюгу, якщо зчитувати його в протилежному напрямку:
Паліндроми, як правило, мають різну довжину. Вони не впливають на формування вторинної структури, однак при формуванні вищих рівнів структури довгі паліндроми можуть утворювати хрестоподібні структури (а і б), які відіграють певну роль у розпізнаванні окремих ділянок ДНК відповідними ферментами та білковими факторами, що забезпечують регуляцію діяльності генів:
Дослідження первинної структури ДНК є досить важливим тому, що властивості і функції ДНК зумовлені послідовністю чергування мононуклеотидних залишків у полінуклеотидному ланцюгу. Основною біологічною функцією ДНК є збереження генетичної інформації. Оскільки у прокаріот уся ДНК хромосоми використовується для кодування структури іРНК, що виконує роль матриці при синтезі білків з специфічною структурою, генетична інформація на структурі ДНК прокаріот, локалізована на певних ділянках, дістала назву оперону (від лат. ореrоn – працюю, дію).
Оперон – ділянка ДНК, обмежена промотором і термінатором, яка містить цистрони або структурні гени (кодують первинну структуру іРНК, які забезпечують синтез білків-ферментів одного метаболічного циклу) і знаходиться під регуляторним впливом гена-регулятора. У прокаріот відомі оперони, до складу яких входить кілька структурних генів або цистронів, що кодують структуру ферментів одного метаболічного ланцюга (поліцистронні іРНК).
Оперон складається з промотора, гена-оператора, структурних генів, або цистронів, та гена-термінатора. Промотор – місце початку транскрипції, є короткою послідовністю мононуклеотидів ДНК, з якою зв'язується фермент ДНК-залежна–РНК-полімераза. Ген-оператор – це ділянка ДНК, що безпосередньо прилягає до структурних генів і регулює їхню функціональну активність за участю білка репресора, синтез якого кодується геном-регулятором. Ген-регулятор може знаходитись поряд чи на певній відстані від оперона. Завершується оперон геном-термінатором, який сигналізує про закінчення транскрипції (рис. 2).
Рис. 2. Будова оперону (транскриптону) прокаріот: R – ген-регулятор; P – промотор; O – оператор; A, B, C – структурні гени; t – термінатор.
Для ДНК еукаріот характерним є те, що лише 2 % її є носієм генетичної інформації, решта виконує регуляторні та інші функції, тобто, на відміну від прокаріот, немає суворої відповідності первинної структури ДНК і первинної структури закодованих на ній білків тому, що порушено принцип колінеарності (відповідності – первинної структури ДНК, первинної структури білка). В зв'язку з цим поняття оперон для еукаріот має відносне значення, оскільки гени, що детермінують структуру ферментів одного метаболічного циклу, не обов'язково розміщені поряд і можуть бути локалізовані на різних ділянках ДНК і навіть різних хромосомах.
На структурі оперона еукаріот інформативні ділянки – екзони – чергуються з неінформативними – інтронами:
Для структурних генів еукаріот характерними є не поодинокі регуляторні ділянки, а цілі їх серії; відрізняються також ферментні системи, що забезпечують зчитування інформації та модифікацію продуктів транскрипції.
Значних успіхів у з'ясуванні первинної структури ДНК досягнуто в останні десятиріччя. Використання різних методів дослідження дало змогу повністю встановити первинну структуру деяких ДНК, окремих фрагментів ДНК, а також структуру багатьох генів. Так, з'ясовано первинну структуру ДНК мітохондрій людини, яка побудована з 16 659 нуклеотидних пар (нп), вивчено первинну структуру ДНК вірусу SV-40, яка складається з 5224 нп. Досліджено первинну структуру генів: яєчного альбуміну (7564 нп), гормону росту людини (2600 нп), інсуліну людини (1430 нп), цитохрому щурів (960 нп) тощо. Значну роботу по вивченню первинної структури нуклеїнових кислот проводили дослідники на чолі з академіками О.О. Баєвим і Ю.О. Овчинниковим.
Вторинна структура. Просторова конфігурація полінуклеотидних ланцюгів ДНК становить її вторинну структуру. Модель структури молекули ДНК вперше була запропонована вченими із Кембріджського університету (Англія) Дж. Уотсоном і Ф. Кріком у 1953 р. Основою для побудови даної моделі стали відомості про хімічний склад ДНК, одержані Е. Чаргаффом, а також дані рентгеноструктурного аналізу, одержані Л. Уілкінсом, Р. Гослінгом і Р. Франкліном. Принципи побудови моделі відповідають властивостям носія спадкової інформації, тобто дають можливість пояснити, як здійснюється запис інформації, як вона відтворюється і змінюється при мутації.
Відповідно до моделі Дж. Уотсона і Ф. Кріка молекула ДНК це подвійна спіраль, тобто вона складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, які закручені правильними витками навколо однієї спільної осі (рис. 3, а). Без розкручування вони не можуть відокремитися одна від одної. Полінуклеотидні ланцюги ДНК розміщені антипаралельно: 5'-кінець одного полінуклеотидного ланцюга знаходиться напроти 3'-кінця другого ланцюга. Вони обернені один до одного азотистими основами, а зовні розміщені залишки дезоксирибози і фосфорної кислоти.
Діаметр спіралі ДНК становить 2 нм, крок її 3,4 нм, кожний виток спіралі містить 10 пар нуклеотидів так, що кожна пара їх займає 0,34 нм по осі спіралі. Стабілізація подвійної спіралі здійснюється за рахунок водневих зв'язків і гідрофобної взаємодії.
Рис. 3. Зображення подвійної спіралі ДНК (а) – за Дж. Уотсоном, Ф. Кріком;
(b) – молекулярна; (с) – атомна.
Утворення водневих зв'язків у молекулі ДНК – процес точно визначений. Так, аденін одного полінуклеотидного ланцюга завжди зв'язується двома водневими зв'язками з тиміном другого полінуклеотидного ланцюга, а гуанін постійно зв'язується трьома водневими зв'язками з цитозином. Ця закономірність називається комплементарністю (доповнюваністю). У подвійній спіралі ДНК аденін ніби доповнює тимін, а гуанін – цитозин і навпаки:
Отже, кожна пара нуклеотидів складається з однієї пуринової основи і однієї піримідинової, які доповнюють одна одну. З такого принципу будови ДНК випливає правило Чаргаффа, що вміст аденіну дорівнює вмісту тиміну, а вміст гуаніну дорівнює вмісту цитозину. Важливе значення в стабілізації спіралі ДНК мають неполярна взаємодія за участю делокалізованнх p-електронів азотистих основ. Квантово-механічні розрахунки електронної структури ДНК свідчать, що між комплементарними парами А – Т і Г – Ц відбувається перекривання p-орбіталей, а це приводить до того, що комплементарні пари азотистих основ утворюють одну p-електронну структуру. Разом з цим перекривання p-електронних систем азотистих основ відбувається і внаслідок їх паралельного розміщення у вигляді стопки всередині подвійної спіралі молекули ДНК. Найбільш значне перекривання p-орбіталей має місце тоді, коли пуринові основи знаходяться під піримідиновнми. При зворотному порядку розміщення основ перекривання p-орбіталей найменше. Така p-електронна взаємодія між паралельно розміщеними основами або парами основ у молекулі ДНК (так звана стекінг-взаємодія) становить єдину p-електронну систему, яка стабілізує подвійну спіраль ДНК більш істотно, ніж водневі зв'язки.
Двоспіральна ДНК залежно від умов (вмісту води, іонної сили та ін. може набувати певну конформацію). Так, на основі вивчення солей ДНК різних лужних металів з різною вологістю виявлено ряд форм двоспіральної ДНК:
Значний інтерес становить вивчення таких форм ДНК, як А, В, С. При зміні вологості і катіона солі ці форми ДНК можуть переходити одна в одну. В-форма відповідно з моделлю Уотсона-Кріка є формою ДНК, яка найчастіше зустрічається в живих організмах і в розчинах (параметри структури вказані вище). В-форма перетворюється на А-форму, коли вологість препаратів ДНК становить менше 70%. А-форма відрізняється від В-форми тим, що пари азотистих основ розміщені не перпендикулярно до осі спіралі, а під кутом 70°. Внаслідок цього крок спіралі зменшується від 3,4 до 2,8 нм. В А-формі ДНК на один виток припадає одинадцять пар основ (у В-формі – 10), що зумовлює скорочення полінуклеотидного ланцюга приблизно на 25%. А-Конформація часто спостерігається в гібридних молекулах ДНК–РНК, оскільки додаткова гідроксильна група біля другого вуглецю залишку рибози заважає утворенню В-конформації ДНК.
С-форма характеризується більш пухкою і розкрученою структурою. На один виток припадає лише 9 нуклеотидів. Допускають, що в С-формі ДНК находиться у складі хроматину.
Аналіз даних різних форм ДНК свідчить про те, що В-форма найбільш адекватна для процесів реплікації, А-форма – для транскрипції, С-форма – для упаковки ДНК у складі надмолекулярних структур хроматину і деяких вірусів. Отже, вторинна структура молекули ДНК, очевидно, в першу чергу зв'язана з інформаційними процесами в живих системах, наприклад, А-форма з передачею інформації від ДНК до РНК. В-форма із збільшенням кількості інформації і С-форма – з її збереженням.
В останні десятиріччя з'явились дані про можливість існування принципово нових форм ДНК: Z- і SBS-форма – це лівозакручені форми ДНК. Діаметр молекули ДНК у Z-формі становить 1,8 нм, число нуклеотидів у витку дорівнює 12. Допускають, що у природній ДНК можуть чергуватись праві (А-, В-, С-форми) і ліві (Z-форма) ділянки.
SBS-Форми ДНК характеризуються відсутністю взаємного закручування полінуклеотидних ланцюгів навколо однієї спільної осі. Полінуклеотидні ланцюги в SBS-формі ДНК розміщуються поряд „бік в бік” (від англ. side by side, звідки назва – SBS-форма), утворюючи зигзагоподібну форму. Відсутність спіралізації ДНК у формі SBS забезпечує легке розходження полінуклеотитних ланцюгів, що має важливе значення для процесу реплікації ДНК.
Виділення ДНК з різних видів організмів та вивчення її структури показало, що дволанцюгові ДНК окремих прокаріотів – вірусів, бактерій і клітинних органел – мітохондрій та хлоропластів – не лінійні, а замкнуті в кільце. Наприклад, ДНК фага, який називають фагом лямбда, має лінійну форму доти, поки знаходиться у фаговій часточці, а коли попадає в бактеріальну клітину, замикається в кільце завдяки наявності в ланцюгах ДНК так званих „липких” кінців. На кожному кінці ДНК один із ланцюгів довший за інший і містить певну кількість неспарених основ. Такі ділянки неспарених основ на обох кінцях молекули комплементарні одна до одної. Тому при їх спарюванні кінці ланцюгів ніби „злипаються” і молекула набуває структури кільця, утворення якого завершує спеціальний фермент. Одноланцюгові кільцеві форми ДНК виявлені у фагах – фх 174, М 13 і S 13 Е. соlі.
Разом з цим треба зазначити, що в деяких мікроорганізмах виявлені одноланцюгові ДНК, які мають як лінійну, так і кільцеву структури. Так, в окремих вірусів (вірус поліомієліту, дрібний вірус мишей) знайдено лінійні одноланцюгові ДНК. Вони, на відміну від дволанцюгових ДНК, мають меншу молекулярну масу, в них часто не зберігається відповідне співвідношення між азотистими основами: А – Т і Г – Ц і т.д.
Третинна структура ДНК. Дослідження будови ДНК показало, що лінійні дволанцюгові або кільцеві форми ДНК можуть бути зорієнтовані у просторі з утворенням спіралізованих і суперспіралізованих форм, тобто третинної структури.
Про певне укладання (упаковку) ДНК у клітинах свідчить той факт, що молекула ДНК з молекулярною масою 106 повинна була б мати довжину 5 мкм, а насправді довжина її становить 0,5 мкм. Крім того, клітини прокаріот і органели клітин еукаріот, в яких локалізована основна маса ДНК, часто мають значно менші розміри, ніж розміри її молекули. Так, розмір подвійної спіралі ДНК бактерії Е. соlі більше 1 мм, а розмір самої клітини не перевищує 5 мкм.
Третинна структура ДНК (прокаріот і еукаріот) має свої особливості, пов'язані з будовою та функціями їх клітин. Для третинної структури ДНК вірусів і бактеріофагів характерним є наявність специфічної суперспіралізації одно- або дволанцюгових її кільцевих форм. Суперспіралізовані структури утворюють в основному ліву спіраль. Зустрічаються також суперспіралізовані кільцеві дволанцюгові ДНК, які закручуються самі на себе. Такі суперспіралі характерні для онкогенних вірусів і нехромосомних ДНК бактерій (плазмід) та мітохондрій.
Для третинної структури ДНК еукаріотичних клітин характерна також суперспіралізація, яка забезпечує економну упаковку ДНК в хроматині. Однак особливістю суперспіралізованої третинної структури ДНК еукаріот є те, що вона реалізується у формі складних комплексів ДНК з гістоновими і негістоновими білками, РНК та іонами металів.
Основну масу хроматину становлять білки – гістони, які за вмістом залишків аргініну і лізину поділяють на п'ять груп: Н1; Н2А; Н2В; НЗ; Н4. Взаємодія між гістонами і молекулами ДНК забезпечується за рахунок утворення іонних зв'язків між негативно зарядженими залишками фосфату та позитивно зарядженими групами діаміномонокарбонових кислот (аргініну і лізину). Негістонові білки містять велику кількість кислих амінокислот, тобто є поліаніонами. З даними білками пов'язують специфічну регуляцію активності хроматину.
Розрізняють кілька рівнів упаковки ДНК еукаріот у хроматині. Перший, найбільш вивчений, – нуклеосомний. До складу нуклеосом входять відрізки двоспіральної молекули ДНК довжиною 120 – 250 пар основ, Н1 і по дві молекули інших груп гістонів (октет гістонів). Гістоновий октамер утворює ядро нуклеосоми, або нуклеосомний кор, який являє собою диск діаметром 11 і товщиною 5,7 нм. На поверхню даного диска намотується відрізок двоспіральної молекули ДНК, утворюючи 1,75 витка. Між коровими ділянками нуклеосоми розміщуються перемички, або лінкери, які складаються з ділянок молекул ДНК довжиною 30 – 60 пар основ, зв'язаних з гістоном Н1 і негістоновими білками. Довжина лінкерів залежить від типу клітин. Близько 90 % усієї ДНК входить до складу нуклеосом – решта становить лінкерні ділянки. Вважають, що нуклеосоми – це фрагмент неактивного хроматину, а лінкерні міжкорові ділянки – фрагменти активного хроматину. Під електронним мікроскопом хроматин має вигляд намистин – кулеподібні нуклеосоми чергуються з ниткоподібними лінкерними міжкоровими ділянками (рис. 4). Упаковочний коефіцієнт даного рівня структури дорівнює п'яти, тобто внаслідок утворення нуклеосом довжина ланцюга ДНК зменшується в 5 разів.
Наступний рівень упаковки ДНК в хроматині – спіралізація і укладання нуклеосом у вигляді товстих фібрил – соленоїдів. Крок спіралі соленоїду дорівнює 11 нм, на 1 виток припадає 6 – 10 нуклеосом. У цілому завдяки наявності першого і другого рівнів упаковки ДНК у хроматині забезпечується зменшення довжини молекули в 40 – 50 разів.
Третій рівень упаковки ДНК у хроматині вивчено недостатньо. Вважають, що соленоїди утворюють суперспіралізовані петлі, що призводить до зменшення лінійних розмірів ДНК у 200 разів. Суперспіралізовані петлі – це домени ДНК, які відповідають, очевидно, одиницям транскрипції і реплікації хроматину. Петлеподібна, доменна організація сприяє укладанню хроматину в метафазних хромосомах у спіральні структури більш високого порядку. В результаті послідовного укладання молекул ДНК у хроматині лінійні розміри молекул ДНК зменшуються приблизно в 104 разів.
Рибонуклеїнові кислоти (рнк)
Рибонуклеїнові кислоти, (РНК) як і дезоксирибонуклеїнові кислоти (ДНК), є досить важливими компонентами клітин усіх живих організмів. Молекули РНК, що містяться в клітині, відрізняються будовою, функціями, розмірами, складом та локалізацією. Основна маса РНК міститься в цитоплазмі (90 %), решта – в ядрі та інших органелах клітин.
У цитоплазмі клітин міститься РНК кількох видів: рибосомальна (рРНК), транспортна (тРНК), інформаційна (іРНК) або матрична (мРНК). Частина РНК знаходиться в ядрі – ядерна РНК (яРНК). Вміст ядерної РНК становить 4 – 10% загального вмісту РНК клітини. В ядрі, як правило, синтезуються високомолекулярні попередники – преРНК, інформаційної, транспортної і рибосомальної РНК. Особливу фракцію складає так звана гетерогенна ядерна РНК (гяРНК), вміст якої 2 – 10%. Вона відзначається досить високою молекулярною масою і ДНК-подібним нуклеотидним складом; гяРНК є основним попередником цитоплазматичної РНК.
Рис. 4. Рівні упаковки ДНК
Крім цих видів РНК з інфікованих вірусами клітин виділено вірусні РНК. Ці РНК зберігають і передають наступним поколінням закодовану в них генетичну інформацію. Геномні РНК мають найбільшу молекулярну масу, яка досягає кількох мільйонів. До складу молекул входять десятки тисяч нуклеотидів.
Для РНК, як і для ДНК, характерні кілька рівнів структур.
Первинна структура. Основою хімічної будови РНК є полінуклеотиди різної довжини. Послідовність чергування залишків відповідних мононуклеотидів в ланцюгах становить первинну структуру РНК.
Дослідження первинної структури різних видів РНК свідчить про те, що для них характерна переважно така сама закономірність у співвідношеннях нуклеотидів, як і для ДНК. Слід зазначити, що до складу РНК з азотистих основ замість тиміну входить урацил, проте в РНК сума пуринових основ не завжди відповідає сумі піримідинових. Їх співвідношення в РНК змінюється в широких межах. Для РНК, порівняно з ДНК, менш виражена і видова специфічність.
Нині вивчено первинну структуру більш як п'ятидесяти тРНК. Назва цих тРНК походить від амінокислот, які вони переносять до місця біосинтезу білка. Успішно ведуться дослідження з вивчення первинної структури інших видів РНК. Так, вивчена первинна структура різних видів низькомолекулярних рибосомальних РНК. Повністю з'ясовано первинну структуру РНК бактеріофага MS2 (бактеріофаг MS2 є мікровірусом, що паразитує на кишечній паличці), яка складається із 3569 нуклеотидних залишків. Проводяться роботи з вивчення нуклеотидної послідовності високомолекулярних рибосомальних і вірусних РНК. Зараз уже встановлена первинна структура значних фрагментів РНК фагів R17 і 16S-рРНК.
Вторинна структура. РНК, на відміну від ДНК, побудована з одного полінуклеотидного ланцюга, для якого властива своєрідна спіралізація. Полінуклеотидний ланцюг РНК закручується сам на себе, утворюючи водневі зв'язки між азотистими основами аденін – урацил і гуанін – цитозин.
Особливістю вторинної структури РНК є те, що полінуклеотидний ланцюг спіралізований не повністю. Крім того, на відміну від ДНК, спіралізація окремих ділянок полінуклеотидного ланцюга РНК менш досконала. У РНК немає повної відповідності в чергуванні комплементарних основ, що призводить до утворення виступів в окремих нуклеотидів на поверхні спіралі полінуклеотидного ланцюга.
Кількість і величина спіралізованих ділянок у межах одного ланцюга для різних РНК неоднакові. Низький ступінь спіралізації властивий для мРНК, що, очевидно, пов'язано з їх функцією в процесі біосинтезу білка. Наявність значної кількості спіралізованих ділянок ускладнювало б виконання ними функцій матриці під час синтезу поліпептидного ланцюга на рибосомах. Разом з цим на початку полінуклеотидних ланцюгів окремих мРНК виявлені значні спіралізовані ділянки. Можливо, що складна просторова конформація 5'-кінця мРНК необхідна для розпізнавання її факторами ініціації на етапі трансляції генетичної інформації.
Вищий ступінь спіралізації (понад 50%) властивий для транспортних і рибосомальних РНК.
Крім указаних загальних закономірностей кожен вид РНК характеризується особливостями структури, певними властивостями та функціями.
Інформаційні, або матричні, РНК. Це досить важливий вид РНК клітини. Вміст її становить 2 – 6% загальної кількості РНК. Уперше наявність у клітині іРНК передбачили А.М. Білозерський та О.С. Спірін у 1956 p. на основі досліджень AT і ГЦ типу нуклеїнових кислот. Дослідженнями було встановлено позитивну кореляцію між нуклеотидним складом ДНК і певного виду РНК. На основі цих даних зроблено висновок про те, що в передачі спадкової інформації від ДНК до білка бере участь один з видів РНК, який корелює з нею за нуклеотидним складом. Експериментально іРНК було виявлено в 1961 p. С. Спігелменом і Ф. Кріком. Враховуючи те, що дана РНК бере участь у забезпеченні матричного синтезу білка і передачі генетичної інформації, вона дістала назву матричної або інформаційної (мРНК, або іРНК). Синтезується іРНК на ДНК (процес транскрипції). У прокаріот синтезована іРНК може зразу без будь-яких змін використовуватися у вигляді матриці, а в еукаріот в процесі транскрипції утворюється високомолекулярна проРНК, яка піддається процесінгу, внаслідок чого утворюється зріла молекула іРНК. У клітині іРНК представлена молекулами, що відрізняються за величинами молекулярної маси та нуклеотидним складом, тобто первинною структурою, оскільки кожний білок, що синтезується під час трансляції, використовує для відтворення первинної структури свою матрицю. Генетична інформація закодована на структурі іРНК у цистронах або структурних генах. іРНК, що кодує один білок, називається моноцистронною, якщо кілька білків – поліцистронною. В цьому випадку між цистронами знаходяться спейсери – ділянки, що не кодують синтез білків. Для прокаріот характерна поліцистронна, а для еукаріот моноцистронна іРНК.
Основою хімічної будови іРНК є полінуклеотиди різної довжини. Послідовність чергування нуклеотидів у ланцюгах є первинною структурою іРНК.
Загальна будова іРНК прокаріот і еукаріот однакова, хоча існують певні особливості.
У клітинах еукаріот іРНК знаходиться в комплексі з білками, які стабілізують її структуру. Матричні рибонуклеопротеїдні комплекси, що утворюються при цьому, називаються інформосомами. Особливістю іРНК еукаріот є наявність в її складі структур, які не кодуються відповідними генами ДНК, а добудовуються в процесі посттранскрипційної модифікації первинних транскриптів, які піддаються процесингу.
Так, на 5'-кінці іРНК еукаріот знаходиться ділянка, що дістала назву кеп (від англ. сap – шапочка), в складі якої міститься мінорний нуклеозидтрифосфат-7-метилгуанозин. За кепом знаходиться ділянка з метильованими нуклеозидмонофосфатами. Для різних видів іРНК кількісний вміст та якісний склад їх різні. Вважають, що наявність кепу на 5'-кінці іРНК захищає її від дії ферментів нуклеаз.
Далі розміщується 5'-нетранслююча послідовність (5'-НТП) нуклеотидів, багата АГ-парами. Вважають, що ця ділянка забезпечує сполучення іРНК з рибосомою. Ділянка рРНК, з якою контактує іРНК, багата УЦ-парами, тобто ділянки комплементарні одна одній. На 3'-кінці іРНК прокаріот також міститься нетранслююча послідовність, однак довжина їх значно менша, ніж в іРНК еукаріот, і становить 10 – 30 нуклеотидів. 5'-Кінцевий нуклеотид, як правило, містить азотисту основу пуринового ряду аденозин- чи гуанозинтрифосфат (5' ФФФГ...3'). У складі 5'-НТП усіх іРНК прокаріот виявлена особлива послідовність з 3 – 9 нуклеотидів (послідовність Шайна-Дальгарно), яка комплементарна 3'-кінцю 16S рРНК і полегшує ініціацію трансляції іРНК.
Після нетранслюючої зони на структурі іРНК міститься ініціюючий кодон АУГ, а в деяких іРНК ГУГ. Вони пізнаються як ініціюючі лише тоді, коли знаходяться на місці, з якого починається синтез поліпептиду. Якщо кодони розміщені всередині структурних генів, то вони читаються як метіонін (АУГ) і валін (ГУГ). Далі розміщуються цистрони або структурні гени, в яких у вигляді триплетів закодовані певні амінокислоти. Завершується цистрон термінаторними кодоном УАА, УАГ або УГА. У випадку поліцистронної іРНК термінаторні кодони розміщуються в кінці кожного цистрону.
Після цистронів на 3'-кінці іРНК еукаріот міститься нетранслююча послідовність (3'-НТП), до складу якої входить від 100 до 1000 мононуклеотидів. 3'-НТП прокаріот значно коротша, функції її вивчені недостатньо.
Закінчується 3'-кінець іРНК еукаріот поліаденіловою послідовністю, яка містить 150 –200 залишків поліаденілової кислоти. Вона приєднується до 3'-кінця іРНК в ядрі після закінчення транскрипції за участю ферменту поліаденілатполімерази.
Вважають, що біологічна функція поліаденілової послідовності – стабілізація молекули іРНК та продовження часу її функціонування. За один цикл проходження іРНК крізь рибосому відщеплюється один залишок аденозинмонофосфату від поліаденілової послідовності. Втрата поліаденілової послідовності призводить до руйнування іРНК.
Вторинна структура іРНК представлена у вигляді кількох двоспіральних шпильок, які утворюються в межах одного полінуклеотидного ланцюга внаслідок комплементарного спарювання А–У і Г–Ц пар. Шпильки зв'язані між собою короткими одноланцюговими ділянками. Вважають, що шпильки на структурі іРНК відіграють певну роль у забезпеченні процесів ініціації і термінації. При зв'язуванні з рибосомою вся просторова структура іРНК не порушується, а відбувається лише деспіралізація ділянок у місцях безпосереднього контакту іРНК з рибосомою.
Третинна структура іРНК вивчена недостатньо. Припускають, що молекули іРНК можуть змінювати третинну структуру залежно від умов зовнішнього середовища, температури, іонної сили, розчину, рН тощо.
Транспортні РНК (тРНК). Це один з видів рибонуклеїнових кислот клітини, який відіграє важливу роль у забезпеченні перенесення активних форм амінокислот – аміноациладенілатів до рибосомального апарату, де вони використовуються при білковому синтезі. тРНК становлять 10 – 15% всієї РНК клітини. Вони локалізовані переважно в гіалоплазмі клітини, ядерному соку і в безструктурній частині мітохондрій хлоропластів.
Характерною ознакою тРНК є невелика молекулярна маса – 20 – 35 тис. При вивченні первинної структури тРНК встановлено, що вони побудовані переважно з 70 – 90 нуклеотидних залишків і мають певні спільні ознаки. Так, на 5'-кінці полінуклеотидного ланцюга здебільшого знаходиться залишок гуанозинмонофосфорної (ГМФ), а на 3'-кінці – фрагмент, який складається з двох залишків цитидинмонофосфорної кислоти і одного залишку аденозинмонофосфорної кислоти (ЦМФ, ЦМФ, АМФ). Між ними в полінуклеотидному ланцюгу в точно визначеній послідовності розміщені всі інші пуринові і піримідинові нуклеотидні залишки. Серед них близько 8 – 10% нуклеотидів, які містять мінорні основи: псевдоуридин, різні метильовані похідні аденіну, гуаніну, цитозину тощо.
Найпоширенішими мінорними основами в нуклеотидах тРНК є псевдо- і дигідроуридин. Вважають, що мінорні основи підвищують стійкість тРНК проти гідролізу під час дії на них рибонуклеаз. Крім того, деякі мінорні основи беруть участь у кодуванні амінокислот, розпізнаванні ферментом аміноацил-тРНК-синтетазою тієї тРНК, яка взаємодіє з певною амінокислотою під час її активування.
Уперше первинну структуру тРНК розшифрував Р. Холлі із співробітниками у 1965 p. Це була тРНК, яка здійснює перенесення амінокислоти аланіну, тобто аланінова тРНК (тРНКала). Значний внесок у вивченні первинної структури тРНК зробили академік О.О. Баєв і його співробітники. Вони повністю розшифрували первинну структуру тирозинової РНК (тРНКтир).
Для тРНК характерними є і вищі рівні структури (вторинна, третинна), що забезпечуються спіралізацією в межах одного полінуклеотидного ланцюга, що при цьому закручується „на себе”, утворюючи складну просторову структуру тРНК.
Вторинна структура тРНК однотипна для всіх їх видів і представлена у вигляді листка конюшини (рис. 5), що містить п'ять спіралізованих ділянок, чотири з яких закінчуються петлеподібними структурами.
Рис. 5. Вторинна структура тРНК
Вони не містять спарених нуклеотидів, а п'ята закінчується додатковою петлею, функції якої не з'ясовані. В центрі молекули знаходиться неспіралізована ділянка; 3'- та 5'-кінці молекули, сполучені за рахунок комплементарних пар основ і утворюють акцепторне стебло.
Акцепторне стебло – найдовша спіралізована структура в молекулі тРНК, що містить сім спарених основ. Завершується ця ділянка неспареною послідовністю нуклеотидів ЦЦА, розміщеною на 3'-кінці молекули. До 3'-ОН групи кінцевого залишку аденіну приєднується відповідна амінокислота, яка переноситься від аміноациладенілатів на етапі рекогніції.
Утворені при цьому аміноацил-тРНК використовуються у вигляді адапторів, забезпечуючи переведення послідовності нуклеотидів іРНК на амінокислотну послідовність білкової молекули, тобто забезпечують один з етапів трансляції. На протилежному кінці молекули тРНК міститься антикодонова ділянка, що містить п'ять спарених і сім неспарених нуклеотидів, які утворюють антикодонову петлю. У центральній ділянці антикодонової петлі міститься антикодон – триплет, комплементарний кодону іРНК, що кодує відповідну амінокислоту. Так, кодону на іРНК 5'-ГЦЦ-3' відповідає антикодон 3'-ЦГГ-5'. У процесі трансляції кодон іРНК сполучається з антикодоном тРНК водневими зв'язками (кодон-антикодонова взаємодія). Антикодон тРНК є точною копією кодогену ланцюга ДНК, в якому тимін замінено на урацил.
Серед інших петлеподібних структур тРНК найважливіше значення мають:
а) псевдоуридилова петля. Складається вона з семи мононуклеотидних ланок, серед яких завжди зустрічається послідовність 5'-ТyЦГ-3¢, що містить псевдоуридин, який зв'язується водневим зв'язком з мінорною основою РНК – тиміном. Вважають, що дана петля забезпечує взаємодію тРНК з рибосомою (50S-субодиницею);
б) дигідроуридилова петля (D-петля) містить кілька мононуклеотидів, в складі яких знаходиться мінорна азотиста основа дигідроуридин. Дигідроуридилова петля забезпечує взаємодію тРНК з специфічним ферментом (аміноацилсинтетазою);
в) додаткова петля, функції якої мало вивчені.
Третинна структура тРНК досить компактна (рис. 6). Утворюється вона внаслідок наближення окремих ділянок вторинної структури. L-Подібна структура, що утворюється при цьому, дістала назву ліктьового згину (рис. 7). В утвореній структурі антикодонова петля розміщується на одному кінці молекули, а акцепторна – на іншому. При цьому за рахунок акцепторної ділянки утворюється одна подвійна спіраль, а за рахунок спареної ділянки антикодонової петлі – друга. Спіралізовані ділянки розміщуються одна відносно одної під кутом 92°. D-Петля і ТyЦГ-петля взаємодіють одна з одною, утворюючи кут ліктьового згину.
Рис. 6. Третинна структура тРНК Рис. 7. „Ліктьовий згин”
Структура тРНК стабілізується водневими зв'язками та стекінг-взаємодією. Певну роль у стабілізації вищих рівнів структури відіграють іони Мn2+ і Mg2+. Вважають, що третинна структура спільна для всіх тРНК. Незначні відмінності в будові різних тРНК забезпечує специфічне пізнавання їх ферментом аміноацил-тРНК-синтетазою і сполучення з відповідними амінокислотами.
Рибосомальні РНК (рРНК). Рибосомальні РНК є досить важливою групою рибонуклеїнових кислот клітин про- і еукаріот. Вони є структурною основою рибосом – клітинних органел, на яких відбувається досить важливий етап синтезу білка – трансляція. Крім цитоплазматичних рибосом, рРНК забезпечує структуру та функціональну активність рибосом таких важливих органел клітин, як мітохондрії та хлоропласти, що містять автономний апарат синтезу білка.
У складі рибосом рРНК знаходиться в комплексі з білками (рибонуклеопротеїдні комплекси). Молекули рРНК мають, як правило, Y-подібну форму й утворюють каркас, до якого прикріпляються білки, внаслідок чого утворюється щільна компактна структура, яка формує великі та малі субодиниці рибосом. Залежно від набору білків та рРНК великі і малі субодиниці рибосом мають різні константи седиментації: 30S, 50S, 40S, 60S та ін. 30S- і 505-субодиниці формують 70S-рибосому прокаріот, а 40S і 60S відповідно 80S-рибосому еукаріот. Молекулярна маса рРНК різна, в зв'язку з чим розрізняють низько- та високомолекулярні рРНК. Так, з субодиниць рибосоми бактерії Е. соlі виділено рРНК з константами седиментації 23S і 16S з молекулярною масою 1,1 • 106 та 0,56 • 106, що містять відповідно 3200 та 1600 нуклеотидних пар. Крім того, в складі субодиниць виявлено також низькомолекулярну рРНК (5S РНК) з молекулярною масою 4 • 104, кількість нуклеотидних пар в якій становить 120.
Подібний набір рРНК характерний і для субодиниць рибосом, виділених з клітин печінки: 23S, 18S, 5S та 5,8S-PHK, з молекулярною масою відповідно 1,6 • 106; 0,65 • 106; 4 • 104; 5 • 104. Характерним є те, що 28S-рРНК за величиною молекулярної маси варіює в різних видів тварин залежно від рівня еволюції: від 1,5 млн в морських безхребетних до 2 млн у ссавців. Для нуклеотидного складу рРНК характерними є наявність великої кількості пуринових блоків, що містять гуанілові мононуклеотиди та майже повна відсутність модифікованих азотистих основ мононуклеотидів.
Кожний вид рРНК має характерну, властиву для нього первинну структуру, яка відрізняється кількісним вмістом, якісним складом та порядком розміщення мононуклеотидних ланок у полінуклеотидному ланцюгу.
Вторинна структура рРНК утворюється за рахунок спіралізації молекули в межах одного полінуклеотидного ланцюга, внаслідок чого відбувається формування коротких двоспіральних структур – шпильок. У вигляді шпильок організовано близько 2/3 поверхні молекули рРНК, решта представлена одноланцюговими „аморфними” ділянками, з якими зв'язуються білки рибосом.
Подібну будову мають також рРНК мітохондрій тваринних клітин та хлоропластів рослинних клітин, однак вони мають специфічний нуклеотидний склад та відрізняються деталями просторової структури. Для їх молекул характерним є нижчий ступінь спіралізації. Особливістю рРНК мітохондрій і хлоропластів є також незначний вміст в їхньому складі низькомолекулярних РНК. Так, у мітохондріях відсутні 5S- і 5,8S-РНК, а в хлоропластах відсутня 5,8S-PHK.
Вірусні РНК. Вірусні РНК є складовою частиною РНК-вмісних вірусів і фагів. На відміну від більшості клітин про- та еукаріот геном вірусів, як правило, організований за участю одного виду нуклеїнових кислот. У зв'язку з цим розрізняють. ДНК- та РНК-вмісні віруси. На відміну від канонічних форм біополімерів клітини (дволанцюгова ДНК і одноланцюгова РНК), будова, властивості та просторова орієнтація компонентів вірусного геному можуть бути найрізноманітнішими. Молекули вірусних РНК відрізняються між собою молекулярною масою – від сотень тисяч до десятків мільйонів, якісним складом, кількісним вмістом та чергуванням мононуклеотидних ланок у полінуклеотидному ланцюгу (первинною структурою), способом укладання молекули в просторі та здатністю до передачі генетичної інформації. Високомолекулярні вірусні РНК зі значеннями молекулярної маси наближаються до значень молекулярної маси, характерних для ДНК.
Первинна структура вірусних РНК досить різноманітна і значною мірою визначає як просторове укладання полінуклеотилного ланцюга, так і до певної міри характер патогенної дії.
Просторову структуру вірусних РНК можна представити одноланцюговими лінійними формами, які закручуються самі на себе (віруси поліомієліту і корі), одноланцюговими кільцевими формами (бунья-віруси), дволанцюговими молекулами (рота-віруси гастроентеритів) тощо. Майже 80% вірусів людини і тварин належать до так званих РНК-геномних вірусів, у яких генетична інформація закодована в чергуванні мононуклеотидних ланок на структурі РНК, тобто вірусна РНК виконує роль носія генетичної інформації. Однак не всі молекули вірусних РНК забезпечують передачу закодованої в них генетичної інформації і в процесі трансляції можуть виконувати роль матриці при синтезі білка. Це стосується вірусів з негативним геномом, у яких роль матриці виконує не сама вірусна РНК, а її реплікативна копія (реплікативна форма), що утворюється при дії ферменту транскриптази. Реплікативні форми вірусної РНК існують у вигляді дволанцюгових РНК (РНК-фрагментів). Прикладом може бути велика кількість вірусів, що викликають інфекційні захворювання людини і тварин.
Особливу групу реплікативних форм складають вірусні РНК, що входять до складу геному неопластичних вірусів, які спричиняють розвиток таких захворювань, як лейкемія, рак, саркома. Це так звані ретро-віруси, які передають генетичну інформацію за рахунок утворення РНК ДНК реплікативних форм, ланцюг ДНК яких реплікується з утворенням дволанцюгової ДНК, що несе інформацію, одержану від вірусних РНК, і далі інтегрується в геном інфікованих клітин, що разом з іншими факторами може викликати розвиток неопластичних процесів.
Для вірусних РНК характерними є вищі рівні структури, які забезпечують компактне укладання їхніх молекул. Про існування вищих рівнів структури вірусних РНК свідчить той факт, що якби молекули високомолекулярних вірусних РНК існували в лінійній формі, то довжина б їх була значно більшою, ніж довжина клітин, в яких вони виявляють патогенну дію. Встановлено, що залежно від умов середовища (значення рН, іонної сили, температури) вірусні РНК можуть знаходитись у вигляді компактної палички, пухкого клубка чи розгорнутої нитки.
Властивості нуклеїнових кислот
Нуклеїнові кислоти – це речовини білого кольору, волокнистої будови, погано розчинні у воді. їх солі (лужних металів) добре розчинні у воді. Нуклеїнові кислоти розчиняються також у розчинах солей: РНК – у розбавлених, а ДНК – у більш концентрованих.
Оскільки молекули нуклеїнових кислот асиметричні, то їх розчини мають високу в'язкість. В'язкість розчинів нуклеїнових кислот використовується для характеристики дволанцюгових ДНК, зокрема їх молекулярної маси. Так, відносна в'язкість 0,01%-го розчину ДНК з молекулярною масою (5 – 10) • 106 близька до 1,5. Таку ж приблизно в'язкість мають розчини ДНК, в яких концентрація нуклеїнової кислоти в п'ять разів більша, а молекулярна маса значно менша – 0,3 • 106. Руйнування водневих зв'язків у ДНК і розкладання її на два полінуклеотидні ланцюги приводить до зниження в'язкості розчинів.
Для нуклеїнових кислот характерна також висока оптична активність. Їх розчини здатні обертати площину поляризації світла вправо на певний кут (позначається знаком плюс). Він помітно зменшується по мірі зменшення ступеня впорядкованості полінуклеотидних ланцюгів. Так, питома активність розчинів біспіральної ДНК дорівнює 150°. Для розчинів мономерних нуклеотидів, одноланцюгових РНК і ДНК при тій же довжині хвилі питома активність у 4 – 6 разів менша. Отже, даний показник є важливим критерієм наявності в нуклеїнових кислотах спіральних і дволанцюгових ділянок.
Усі нуклеїнові кислоти мають здатність поглинати світло в ультрафіолетовій області з максимумом 260 нм. Порушення нативності нуклеїнових кислот супроводжується підвищеним поглинанням світла, тобто має місце так званий гіпохромний ефект. Він залежить від, вмісту в складі нуклеїнових кислот азотистих пар – А–Т. Гіпохромний ефект найбільш характерний для дволанцюгових нуклеїнових кислот, зокрема ДНК. Наявність гіпохромності є однією з важливих ознак утворення дволанцюгових, спіралізованих ділянок у нуклеїнових кислотах. Одноланцюгові нуклеїнові кислоти, в яких спіралізація нуклеотидних ланцюгів незначна, мають гіпохромний ефект дуже малої величини. В зв'язку з цим гіпохромний ефект використовується при вивченні процесів денатурації і ренатурації нуклеїнових кислот, утворенні гібридних спіралей ДНК – РНК тощо.
Денатурація і ренатурація нуклеїнових кислот. Нуклеїнові кислоти мають здатність до денатурації. Даний процес полягає в розриві водневих і вандерваальсових зв'язків, в деспіралізації та розходженні полінуклеотидних ланцюгів ДНК і двоспіральних ділянок молекул РНК. Денатурацію нуклеїнових кислот можуть викликати кислоти, луги, спирти тощо. Внаслідок денатурації кожний із полінуклеотидних ланцюгів молекули нуклеїнової кислоти набуває форми клубка, скрученого безладно. Тому даний процес ще називають переходом спіраль – клубок.
Денатурація нуклеїнових кислот супроводжується зміною цілого ряду їх фізичних властивостей. Так, підвищується поглинання світла в області 260 нм, зменшуються в'язкість розчинів і кут обертання площини поляризації.
Під час денатурації нуклеїнових кислот наступає такий момент, коли кількість спіралізованих ділянок дорівнює кількості неспіралізованих.
Температуру, при якій настає така рівновага, називають температурою плавлення. Температура плавлення нуклеїнових кислот підвищується із збільшенням довжини молекули полінуклеотиду, а також із підвищенням вмісту (%) в ньому пар азотистих основ Г–Ц. Вважають, що пари азотистих основ у молекулах ДНК утворюють термостабільні ланки або ядра, і підвищують їх стійкість проти денатурації, і, навпаки, молекули ДНК, які містять більшу кількість пар азотистих основ (А–Т), легше піддаються денатурації.
Для вивчення біологічної ролі і функції ДНК в організмі важливе значення має вияснення причин і умов, за яких може відбуватися відновлення нативної двоспіральної структури ДНК. У результаті, досліджень було встановлено, що при підвищенні температури приблизно на 5°С вище температури плавлення ланцюги денатурованої ДНК розходяться. Якщо розчин таких ДНК різко охолодити, то полінуклеотидні ланцюги так і залишаються розділеними, а якщо охолодження такого розчину проводити поступово, то внаслідок рекомбінації відбувається ренатурація (відновлення) подвійної спіралі ДНК (рис. 8).
Процес ренатурації молекул ДНК залежить від їх розмірів, кількості азотистих пар Г–Ц та інших факторів. Так, ДНК вірусів і бактерій, яка за своєю будовою більш проста, ніж ДНК вищих організмів, піддається ренатурації значно легше. Позитивно впливає на процес ренатурації також підвищення кількості пар Г–Ц. При ренатурації ДНК відновлюються її біологічні та фізико-хімічні властивості.
Гібридизація ДНК. Встановлено, що полінуклеотидні ланцюги денатурованих ДНК можуть взаємодіяти на основі принципу комплементарності з одноланцюговими РНК або ДНК, які належать іншим організмам. Такий вид ренатурації називається молекулярною гібридизацією. Вважають, що для утворення гібридної молекули ДНК достатньо, щоб у полінуклеотидних ланцюгах містилось близько 12 комплементарних пар азотистих основ. Чим більше буде комплементарних пар, тим вищим буде вміст (%) біспіральних ділянок у гібридній молекулі ДНК.
Відкриття процесу гібридизації ДНК має важливе значення для вивчення первинної структури різних видів нуклеїнових кислот, а також для наукових досліджень у галузі генної інженерії.
Хімічні реакції нуклеїнових кислот. Мутагени. У зв'язку з наявністю в азотистих основах і пентозах нуклеїнових кислот різних функціональних груп вони можуть вступати в різні хімічні реакції. Це призводить до видозміни основ, що впливає на структуру і функції нуклеїнових кислот. Так, наприклад, аміногрупи азотистих основ можуть взаємодіяти з азотистою кислотою. При цьому замість групи –NН2 утворюється група –ОН: –N=C–ОН. Далі енольна форма переходить в кетоформу: –NH–СО–. Отже, азотиста кислота при взаємодії з нуклеїновими кислотами перетворює цитозин на урацил, а аденін і гуанін відповідно на гіпоксантин і ксантин, тому вона є ефективним хімічним мутагеном.
Рис. 8. Денатурація і ренатурація ДНК
Аналогічну мутагенну дію має гідроксиламін, який вступає в реакцію з карбонільними групами азотистих основ, зокрема з піримідиновими, що приводить до перетворення одного виду основ в інші. Крім того, високу мутагенну дію мають алкілуючі агенти, наприклад нітрозамін.
Ці сполуки мають високу канцерогенну дію. Нітрозаміни можуть утворюватися при взаємодії будь-якого вторинного аміну з азотистою кислотою.
Така реакція може відбуватися і в шлунку людини, де нітрозаміни легко всмоктуються і можуть викликати злоякісні пухлини в різних органах і тканинах організму.
Значний інтерес становить взаємодія нуклеїнових кислот з окремими поліциклічними ароматичними (основними) барвниками, зокрема з акридиновим оранжевим, профлавіном і т.д. Вибірково зв'язуючись з ДНК або РНК, вони дають можливість легко їх виявляти. В останній час ці барвники набули важливого значення як мутагени, які мають селективну дію. Вони здатні викликати вставки, або делеції (включення або випадання окремих одиночних нуклеотидів), при реплікації ДНК, отже пригнічувати її.
Нуклеїнові кислоти під дією кислот піддаються гідролізу. Глікозидні зв'язки в ДНК більш лабільні, ніж у РНК. Нуклеотиди, які містять пуринові основи, піддаються гідролізу легше, ніж нуклеотиди з піримідиновими основами. Отже, ковалентна структура молекул нуклеїнових кислот досить стійка, що дає можливість їм виконувати функцію генетичного матеріалу.
Репарація пошкоджень ДНК. Пошкодження ДНК, які зумовлені дією різних хімічних і фізичних факторів, можуть бути репаровані (виправлені) за участю спеціальних механізмів („ремонтних систем”). Наприклад, при дії ультрафіолетового випромінювання на ДНК утворюються тимінові димери внаслідок взаємодії між собою в одному ланцюзі ДНК сусідніх тимінових залишків з утворенням циклобутанового кільця:
Утворення тимінових димерів порушує структуру ДНК і тим самим блокує її реплікацію. Цим, очевидно і пояснюється летальна та мутагенна дії ультрафіолетового випромінювання на живі організми.
Для виправлення пошкоджень ДНК у живих системах існує декілька механізмів, зокрема фотореактивація, ексцизійна і постреплікативна репарації. Фотореактивація відбувається внаслідок дії світла. При цьому відбувається активація фотореактивного ферменту (ДНК-фотолази), який розщеплює димери на мономери і відновлює водневі зв'язки між тиміном і аденіном комплементарних полінуклеотидних ланцюгів ДНК. Ексцизійна і постреплікативна репарації не залежать від наявності світла і тому їх ще називають темповою репарацією. Ці два види репарації дещо між собою подібні.
При ексцизійній репарації (від лат. excisio – вирізання) видаляються пошкоджені ділянки ДНК за участю цілого комплексу ферментних систем (рис. 9).
Рис. 9. Схема ферментативної репарації ДНК
Так, спочатку діє фермент ендонуклеаза, яка ніби розрізає полінуклеотидний ланцюг ДНК, на якому є пошкодження нуклеотидів. Потім починає діяти фермент екзонуклеаза, яка видаляє пошкоджену частину нуклеотидного ланцюга. На цьому місці за участю ферменту ДНК-полімерази в напрямі 5'®3' заново синтезується частина комплементарного полінуклеотндного ланцюга з непошкодженими нуклеотидами. Далі вільні кінці старої частини полінуклеотидного ланцюга, за участю ферменту лігази, з'єднуються з кінцями заново синтезованої частини полінуклеотидного ланцюга.
Отже, клітини організмів містять цілі набори ферментів, які переміщаються по подвійних спіралях ДНК, відновлюють їх пошкодження і цим самим сприяють зменшенню появи частоти мутацій.
Функції нуклеїнових кислот
Нуклеїнові кислоти в організмі виконують різноманітні функції, але найважливішими серед них є участь у передачі спадкових ознак і процесах біосинтезу білка. Основними носіями генетичної інформації в більшості організмів є ДНК. Винятком є тільки окремі фаги, дрібні віруси тварин і більшість рослинних вірусів, в яких носіями генетичної інформації є молекули РНК.
Основна кількість ДНК зосереджена в ядрах. Ядра тваринних клітин містять близько 2 мг ДНК на 1 г сирої маси тканини. Вміст ДНК у клітинах залежить в основному від числа набору в них хромосом. Бактеріальні клітини містять в сотні разів менше ДНК, ніж тваринні.
Передача генетичної інформації від покоління до покоління здійснюється при самовідтворенні копій батьківських ДНК. Цей процес називається реплікацією (рис. 10). Так під час поділу клітин обидва полінуклеотидні ланцюги ДНК, які обвиті по спіралі навколо однієї спільної осі, розкручуються і розходяться. Після того як кожний із ланцюгів розкрутиться, він добудовує собі подібний полінуклеотидний ланцюг (за принципом комплементарності). Механізм реплікації ДНК описано вище.
Рис. 10. Схема реплікації ДНК
У результаті реплікації з однієї молекули утворюється дві нові цілком однакові молекули ДНК, одна з яких залишається в материнській клітині, а друга – переходить у дочірню. Якщо до цього додати, що в ДНК сконцентрована спадкова інформація (у вигляді триплетного коду), то стає зрозумілою та функція, яку відіграє ДНК у передачі спадкових ознак від покоління до покоління.
Реплікація так само, як і будь-який інший процес побудови і розкладання в організмі, відбувається за допомогою цілого ряду ферментів і тісно пов'язана з обміном речовин. Генетична роль ДНК встановлена після проведення дослідів на бактеріях різних типів з різними властивостями. Наприклад, з одного типу бактерій виділяли чисту ДНК і діяли нею на інший тип бактерій, при цьому останні набували властивостей, характерних для тих бактерій, з яких було виділено ДНК.
Отже, ДНК є субстратом, за допомогою якого здійснюється передача спадкових ознак. Спадкова інформація організму закладена і зберігається в самій молекулярній структурі ДНК, а реалізується (виявляється) у процесі біосинтезу білка. При біосинтезі білка певну роль відіграють не тільки ДНК. а й різні види РНК. Встановлено, що РНК міститься в усіх клітинах організму. Однак їх кількість залежить від типу клітин, виду тканини, віку і фізіологічного стану організму. У клітинах, які інтенсивно розмножуються і ростуть, вміст РНК високий. Після старіння організму і зниження темпів росту, концентрація РНК у клітинах зменшується. Оскільки процеси росту і розмноження передусім пов'язані із збільшенням маси білка цитоплазми, то це свідчить про тісний взаємозв'язок між РНК і біосинтезом білка в клітинах. У результаті досліджень було доведено, що клітини, в яких відбувається інтенсивний синтез білка, характеризуються високим вмістом РНК. Наприклад, велику кількість РНК знайдено в залозах, які продукують білки – гормони або ферменти (підшлункова, залози травного каналу).
Необхідно зауважити, що основна кількість клітинної РНК (до 80%) зосереджена в рибосомах, тобто в тих компонентах клітин, в яких відбувається біосинтез білка. У рибосомах міститься переважно рибосомальна РНК. Інші види зосереджені частково в ядрі, а частково в цитоплазмі.
Встановлено, що всі три види рибонуклеїнових кислот беруть участь у біосинтезі білка. При цьому кожний з них виконує свою функцію. Так, іРНК одержує інформацію про специфічність біосинтезу білка в ядрі від ДНК і переносить її до рибосом, тРНК переносить активовані амінокислоти до місця біосинтезу білка. Роль рибосомальних РНК в синтезі ще повністю не з'ясована. Вважають, що вони створюють клітинну структуру – рибосоми, на яких відбувається синтез білка. Не виключено, що рибосомальні РНК виконують і ряд інших функцій у процесі синтезу білка. ДНК, на відміну від РНК, бере участь у цьому процесі не безпосередньо, а через іРНК. Вона відіграє основну роль у визначенні специфічності біосинтезу білка.
Лекція № 6. Вітаміни.
Загальні відомості
Вітаміни були відкриті в 1880 р. російським лікарем М.І. Луніним (1853 – 1937) в експериментах на двох групах білих мишей. Тваринам першої групи він давав штучний раціон (вода + казеїн + лактоза + жир + солі), другої – молоко. Через 20 – 30 діб тварини першої групи гинули. Дослідник прийшов до висновку, що для організму людини і тварин, окрім основних продуктів харчування, необхідні ще якісь речовини. Досліди М.І. Луніна незабаром підтвердив К.А. Соски. Голландський лікар X. Ейкман, який працював в тюремному госпіталі на острові Ява, в 1896 р. встановив, що захворювання людей „бері-бері” можна усунути додаванням в їжу хворих неочищеного рису. Ф. Гопкінс в 1906 р. назвав речовини, що оберігають людину і тварин від аналогічних захворювань, „додатковими чинниками живлення”. Польський вчений К. Функ (1884 –1967) отримав з рисових висівок кристалічну речовину, що містить азот, і назвав її вітаміном – аміном, необхідним для життя. Він запропонував розглядати ряд хвороб („бері-бері”, пелагру, рахіт, цингу та ін.) як наслідок відсутності або недостатньої кількості в їжі відповідних вітамінів і назвав такі патологічні порушення – авітамінозами.
Роботи, виконані в нашій країні і за рубежем по вивченню вітамінів, послужили основою для створення вчення про вітаміни – вітамінології. Великий внесок в її розвиток внесли радянські біохіміки А.В. Палладін, В.П. Букін, P.В. Чаговець та ін.
Отже, вітаміни це – група низькомолекулярних органічних речовин, необхідних для існування живого організму в нікчемно малих кількостях у порівнянні з основними продуктами харчування. Вітамінами в даний час називається група речовин різноманітної хімічної природи, що характеризуються нижченаведеними загальними властивостями:
1. Біосинтез вітамінів здійснюється в основному поза організмом людини і тварин. Тому вони одержують вітаміни головним чином з їжею.
2. Вони не є джерелами енергії або пластичного матеріалу.
3. Вітаміни біологічно активні в дуже малих кількостях і украй необхідні для всіх життєвих процесів.
4. При попаданні до кровоносного русла вітаміни впливають на біохімічні процеси, що протікають в різних тканинах і органах.
5. Недостатнє надходження в організм окремих вітамінів або порушення їх засвоєння веде до розвитку патологічних процесів у вигляді специфічних гіпо- і авітамінозів.
Першоджерелом вітамінів є головним чином рослини. Людина і тварини одержують вітаміни з рослинною їжею або побічно – через продукти тваринного походження: молоко, м’ясо, яйця. Частково потреба тварин у вітамінах, особливо у дорослих жуйних, задовольняється в результаті синтезу мікроорганізмами в харчовому каналі деяких вітамінів з більш простих сполук.
Тварини-колрофаги (наприклад, кролики) можуть одержувати деякі вітаміни, поїдаючи власний кал, в якому містяться вітаміни, що синтезуються мікробами товстої кишки.
Відсутність вітамінів у раціоні або порушення процесів їх засвоєння призводить до авітамінозів, недостатнє надходження в організм вітамінів – до гіповітамінозу, надлишок вітамінів у раціоні – до гіпервітамінозів. Це негативно позначається на багатьох реакціях обміну речовин, призводить до уповільнення процесів росту і розвитку людини і тварин. Зниженню рівня продуктивності і зменшенню опірності організму до різних інфекційних та неінфекційних захворювань.
Вітаміни є регуляторами обміну речовин. З багатьох вітамінів в організмі утворюються ферменти – активні речовини, за допомогою яких здійснюються хімічні реакції обміну речовин.
Явища гіпо- і авітамінозів можуть бути викликані присутністю в раціоні антивітамінів – структурних аналогів вітамінів: вони витісняють вітаміни з відповідних реакцій обміну речовин, але не здатні виконувати їх функції. Крім того, роль антивітамінів можуть виконувати сполуки, які інактивують вітаміни, розщеплюючи їх на прості речовини, або утворюють з вітамінами хімічно неактивні комплекси.
Фізіологічні норми добової потреби окремих вітамінів. Кількість окремих вітамінів, яка необхідна для забезпечення фізіологічних функцій організму, коливається в значних межах. Потреба людини в тій або іншій кількості вітамінів залежить як від стану організму, так і від умов зовнішнього середовища. Фізична напруга і розумова робота супроводжуються підвищеною витратою ряду вітамінів. Змінюють потребу людини у вітамінах також характер живлення і кліматичні умови.
За сучасними даними доросла людина за звичайних умов протягом доби потребує такі кількості вітамінів (табл. 1):
Таблиця 1.
Класифікація і номенклатура вітамінів (за Ф.Ф. Боєчко, 1995)
|
Буквені позначе-ння |
Назва |
Фізіологічна дія |
Добова потреба, мг |
Ознаки авітамінозу |
|
|
раціональна |
тривіальна |
||||
|
Жиророзчинні вітаміни |
|||||
|
А1 А2 |
Ретинол Дегідроретинол |
Антиксерофталміч-ний фактор |
Стимулює процеси росту, запобігає розвитку ксерофталмії |
0,7 – 1,5 |
Сухість шкіри та слизових оболонок, пригнічення процесів росту та імунних реакцій |
|
D2 D3 |
Холекальциферол Ергокальциферол |
Антирахітичний фактор |
Регулює фосфорно-кальцієвий обмін |
0,0012 |
Підвищена дратівливість, остеомаляція, гіпотонія м’язів |
|
Е |
Токофероли (a-,b-,g-,) |
Антистерильний фактор |
Забезпечує нормальний перебіг вагітності |
11 – 24 |
Схильність до раннього переривання вагітності |
|
К1, К2 |
Філохінони |
Антигеморагічний фактор |
Забезпечує процес зсідання крові |
10 – 15 |
Геморагічний діатез |
|
F |
Полієнові вищі жирні кислоти |
Фактор росту |
Стимулює ріст та розвиток організму |
8000 – 10000 |
Сповільнення росту, некрози, гематурії |
|
Водорозчинні вітаміни |
|||||
|
С |
Аскорбінова кислота |
Антискорбутний фактор |
Посилює еритропоез, фагоцитарну активність лейкоцитів, стимулює обмін речовин |
50 – 70 |
Ламкість та підвищення проникності капілярів, точкові крововиливи, ураження ясен, цинга |
|
Р |
Рутин, цитрин |
Капілярозміц-нюючий |
Виявляє протизапальну та протиалергічну дію |
50 – 60 |
Геморагії, патехії, гіперкератоз, пігментації, ерітема кистей рук |
|
В1 |
Тіамін |
Антиневритний фактор |
Стимулює процеси обміну вуглеводів |
2 – 3 |
Психічна та фізична втома, біль у м’язах, парестезії |
|
В2 |
Рибофлавін |
Фактор росту |
Стимулює енергетичні процеси |
2,5 – 3,5 |
Ангулярний стоматит, глосит, себорейна екзема |
|
В3 |
Пантотенова кислота |
Фактор росту |
Забезпечує синтез біологічно активних сполук |
7 – 10 |
Дерматити, депігментація волосся, затримка росту |
|
В5 (РР) |
Нікотинова кислота |
Антипелагричний фактор |
Стимулює обмін речовин, енергетичні процеси |
5 – 15 |
Хвороба трьох Д (дерматит, діарея, деменція) |
|
В6 |
Піридоксин |
Антидерматичний фактор |
Стимулює білковий обмін та кровотворні процеси |
2 – 4 |
Епілептоформні судоми, хейлоз, глосит, симетричний дерматит |
|
В12 |
Ціанкобаламін |
Антианемічний фактор |
Посилює кровотворні процеси |
0,0015 |
Перніціозна анемія, ахлоргідрія, діарея |
|
ВС (B10, B11) |
Фолієва кислота |
Антианемічний фактор |
Стимулює еритропоез, забезпечує синтез холіну |
0,2 – 0,3 |
Макроцитарна мегабластична анемія |
|
Н |
Біотин |
Антисеборейний фактор |
Стимулює білковий та ліпідний обмін |
0,1 – 0,2 |
Себорейний дерматит, м’язова слабкість, атрофія сосочків язика |
|
Вітаміноподібні сполуки |
|||||
|
Холін |
Ліпотропний фактор |
Стимулює обмін речовин |
10 – 75 |
Дерматити |
|
|
Ліпоєва кислота |
Фактор окислення пірувату |
Стимулює вуглеводний та ліпідний обмін |
60 – 70 |
М'язова слабкість, дерматити |
|
|
В13 |
Оротова кислота |
Фактор росту мікроорганізмів |
Стимулює еритропоез, анаболічні процеси |
1000 – 2000 |
Сповільнення росту, дерматити, м’язова слабкість |
|
В15 |
Пангамова кислота |
Ліпотропний фактор |
Стимулює ліпідний обмін |
2 – 3 |
Порушення ліпідного обміну |
|
Інозит |
Антиалопеційний фактор |
Виявляє ліпотропну дію, стимулює обмін речовин |
200 – 500 |
Нормоцитарна анемія, сповільнення росту, алопеція |
|
|
ВХ |
n-Амінобензойна кислота |
Фактор хромотріхії |
Нормалізує основний обмін, стан нервової системи |
100 – 500 |
Депігментація волосяного покриву, пір’я, депресія, гіпотонія |
|
U |
Метилметіонін сульфоній-хлорид |
Антивиразковий фактор |
Стимулює процеси регенерації епітеліальних клітин |
250 – 300 |
Розвивається виразкова хвороба шлунку |
Особлива увага звертається на необхідність систематичного введення вітамінів. Це обумовлено тим, що вітаміни, як правило, не можуть відкладатися організмом в запас. Прийом надмірної кількості вітамінів викликає посилене їх виділення з організму, найчастіше з сечею. Вважається, що спеціального депо вітамінів в організмі немає. Різний же вміст вітамінів в окремих органах пояснюють функціональними особливостями самих органів. Слід все ж таки відзначити, що вітамін B12 і вітамін А можуть нагромаджуватися в печінці в значних кількостях. Але в цьому випадку високий вміст вітаміну А в печінці може зберігатися лише при постійному надходженні вітаміну з їжею.
Оскільки більшість вітамінів в організмі людини не синтезується або синтезується лише в невеликих кількостях, то потреба його у вітамінах повинна задовольнятися головним чином за рахунок їжі, що поступає, або якщо їх в їжі міститься недостатньо, то за рахунок вітамінних препаратів.
Взаємодія окремих вітамінів. При визначенні необхідної кількості вітамінів слід враховувати наявність в організмі впливу одного вітаміну на потребу в іншому. Це питання вивчено ще недостатньо, але деякі відомості про взаємодію окремих вітамінів вже є.
Так, наприклад, встановлена залежність між обміном вітаміну В2 і аскорбінової кислоти. При цьому відзначено, що кількісний вміст вітаміну С в добовому раціоні чинить виражений вплив на потребу організму в рибофлавіні. Встановлено, що чим вище вміст вітаміну С в раціоні, тим більше виводиться рибофлавіну, тобто тим менша в ньому потреба організму. У свою чергу, при недостатній кількості в їжі рибофлавіну різко порушується обмін аскорбінової кислоти. В той же час у присутності рибофлавіну аскорбінова кислота швидко руйнується при освітленні її сонячним промінням. Вітамін В2 при цьому діє як каталізатор при окисленні аскорбінової кислоти. Доведено, що при вираженому арибофлавінозі знижується в організмі також і рівень вітамінів С і В1. При введенні в подібних випадках рибофлавіну одночасно наростає затримка в організмі не тільки вітамінів С і В1, але також піридоксину і пантотенової кислоти.
Особливо виразні взаємозв’язки встановлені між вітаміном Р і С. Встановлено, що при лікуванні цинги вітаміном С додавання вітаміну Р дозволяє навіть зменшити дозу аскорбінової кислоти, при значному загальному збільшенні клінічного ефекту.
Була відзначена наявність виразного синергізму дії фолієвої кислоти відносно вітаміну B12. Виявилося, що застосування фолієвої кислоти при лікуванні анемії Аддісон-Бірмера вітаміном B12 дозволяє значно зменшити дози обох цих вітамінів, без зниження клінічного ефекту. За наявності ж вираженого дефіциту фолієвої кислоти організм взагалі втрачає здатність утримувати вітамін В12. Також встановлено, що нікотинова кислота краще діє в поєднанні з рибофлавіном.
Є дані, що вітамін С гальмує накопичення вітаміну А в печінці. В той же час використання вітаміну А для синтезу зорового пурпуру є більш ефективним (швидше наступає темнова адаптація) якщо одночасно вводяться рибофлавін і аскорбінова кислота.
Був відзначений також взаємозв’язок тіаміну і рибофлавіну. При недостатньому надходженні в організм вітаміну В1, порушується відкладення рибофлавіну в печінці. І, навпаки, дефіцит вітаміну В2 в харчовому раціоні викликає невелике зниження вмісту в тканинах і тіаміну. Введення в організм великих доз вітаміну В1 або В2 викликає підвищене виділення з сечею не тільки введеного вітаміну, але і комплексу (відповідно вітаміну В2 або В1). Після введення в організм піридоксина спостерігається виведення з сечею не тільки піридоксина, але також тіаміну і рибофлавіну.
Особливо демонстративне в цьому питанні значення вітамінів В1, В2 і РР для процесу окислення молочної кислоти в піровиноградну, а останньої – у вуглекислоту і воду. Відсутність хоча б одного із згаданих трьох вітамінів порушує цей важливий життєвий процес.
Встановлено, що при посиленому споживанні вітамінів А і D також зростає витрата і тіаміну. Розвиток D-гіпервітамінозу гальмується при введенні вітамінів групи В. Отже, збільшуючи вміст вітамінів групи В у раціоні, можна менше побоюватися великих доз вітаміну D.
Наведені приклади свідчать про необхідність, при визначенні потреби у вітамінах, по можливості враховувати взаємодію окремих вітамінів між собою. Облік такої взаємодії особливо необхідний при призначенні синтетичних вітамінних препаратів, оскільки в харчових продуктах вітаміни найчастіше знаходяться в гармонійному поєднанні.
При підрахунку потреби у вітамінах варто також мати на увазі і взаємодію між вітамінами і харчовими продуктами.
Вітамінна недостатність і її форми. При розгляді питання про потребу організму людини і тварин у вітамінах зазвичай відзначають три варіанти добових дозувань (норм):
1) оптимальні,
2) середні ;
3) мінімальні норми.
При цьому під оптимальними дозами вітамінів розуміється така їх кількість, яка в змозі забезпечити всі фізіологічні процеси на самому їх високому рівні. Іншими словами, при введенні в організм таких кількостей вітамінів навіть підвищені навантаження, скоювані в незвичайних умовах, вітамінної недостатності не викликають.
Середні дози (норми) – це кількість вітамінів, які в змозі забезпечити фізіологічні процеси при помірних фізичних і нервових навантаженнях, при помірно вираженому впливі температури і інших умов зовнішнього середовища
І, нарешті, мінімальні норми – це такі, які забезпечують фізіологічні процеси організму в стані його фізичного спокою (або легких навантажень). При вживанні вітамінів нижче за ці норми розвивається той або інший специфічний патологічний процес (гіпо- або авітаміноз). Отже, за наявності невідповідності між витратою вітамінів і їх надходженням, коли перше перевищує друге, розвивається вітамінна недостатність, що обумовлює початкові патологічні зміни в організмі (порушення обміну речовин, функціональні розлади). При зниженні дозувань нижче за мінімальні ці зміни збільшуються і на їх фоні розвиваються нові якісні реакції у вигляді специфічних патологічних процесів в більш менш вираженій формі.
Гіповітамінозні стани характеризуються значною строкатістю проявів, за відсутності чіткої окресленої клінічної картини. Ці стани обумовлені в основному порушеннями обміну речовин, функціональною неповноцінністю окремих систем організму людини і тварин. Авітамінози мають окреслену клінічну картину і є наслідком вираженої вітамінної недостатності. І хоча останні були вивчені раніше і краще, проте гіповітамінозні стани мають більше практичне значення, оскільки вони зустрічаються незрівнянно частіше, ніж авітамінози.
Причини порушення вітамінного обміну досить багатоманітні. Прийнято виділяти дві основні групи чинників, які обумовлюють розвиток вітамінної недостатності:
1. Екзогенні, зовнішні причини, які обумовлюють розвиток первинних гіпо- і авітамінозів.
2. Ендогенні, внутрішні причини, що призводять до розвитку вторинних гіпо- і авітамінозів.
Звичайно, існує і третя група – це змішані гіпо- і авітамінози, в розвитку яких беруть участь чинники як зовнішнього, так і „внутрішнього порядку”.
З урахуванням механізмів розвитку вітамінної недостатності виділяють декілька форм гіпо- і авітамінозів.
Аліментарна форма. За своїм походженням це екзогенні, первинні гіпо- і авітамінози, обумовлені недостатнім вмістом (рідко повною відсутністю) вітамінів в їжі. Отже, дана форма гіповітамінозу в основному обумовлена порушеннями в побудові харчового режиму. При цьому недостатній вміст вітамінів в їжі може бути викликаний як нераціональним підбором продуктів (відсутність овочів або неправильне їх зберігання, виключення чорного хліба і т. д.), так і неправильною їх кулінарною обробкою.
Проте в забезпеченні вітамінної повноцінності добового раціону живлення важливе значення має не тільки кількість вітамінів, що вводяться, але і склад їжі. Встановлено, що навіть при достатньому (за нормами) споживанні вітамінів можуть виявлятися ознаки вітамінної недостатності, якщо в раціоні буде порушено співвідношення окремих складових компонентів їжі. При переважанні вуглеводів (вище встановлених норм) організму потрібна додаткова кількість тіаміну (В1). Отже, при тривалому збереженні подібної спрямованості добового раціону можуть розвиватися явища В1-недостатості. При цьому збільшується також витрата вітаміну В2 і С.
Проте, не дивлячись на велику роль якісних порушень режиму живлення, основного практичного значення набувають порушення кількісні, пов’язані з пониженим вмістом окремих вітамінів у готовій їжі. Саме цей шлях порушення вітамінного балансу найчастіше веде до розвитку як неспецифічних, так і специфічних патологічних процесів, обумовлених вітамінною недостатністю. Найголовнішими причинами зниження кількості окремих вітамінів в готовій їжі є:
а) неправильне зберігання продуктів (особливо овочів), що призводить до руйнування деяких вітамінів (особливо вітаміну С);
б) одностороннє живлення, особливо з виключенням овочів, які є основними носіями вітамінів С, Р та ін.;
в) порушення правил кулінарної обробки продуктів, яке разом з незадовільним їх зберіганням може призвести до значного зменшення кількості вітамінів в готовій їжі.
В практиці згадані причини рідко існують ізольовано одна від одної. Найчастіше вони поєднуються між собою і завдають серйозного збитку вмісту вітамінів у добовому раціоні. Це і є основною причиною розвитку аліментарної форми вітамінної недостатності.
Резорбційна форма. Ця форма гіповітамінозів відноситься за своїм походженням до ендогенної вітамінної недостатності, обумовленої причинами внутрішнього порядку. Серед них найбільшої уваги заслуговують:
а) часткове руйнування вітамінів в травному тракті і
б) порушення їх всмоктування.
Встановлено, що при захворюваннях шлунку, які супроводяться пониженням кислотоутворюючої його функції, значному руйнуванню піддаються тіамін, нікотинова кислота і вітамін С. Відомо, що після резекції пілоричного відділу розвивається пелагра, а при виразці дна шлунку – порушення синтезу гастромукопротеїну призводить до розвитку гіперхромної анемії Аддісон-Бірмера.
Було відзначено також порушення всмоктування вітамінів з кишечника за наявності секреторно-моторних його розладів та хронічних інфекційно-запальних процесів. При недостатньому надходженні у верхній відділ кишечника жовчі порушується всмоктування каротину (провітаміну А) і інших жиророзчинних вітамінів.
Таким чином, в розвитку резорбційної форми гіповітамінозу велике значення мають деякі шлунково-кишкові захворювання.
Дисиміляційна форма. Основу даної форми гіповітамінозу складають різного роду порушення обміну речовин, що призводять до змін обміну вітамінів і до подальшого розвитку того або іншого гіповітамінозу. Виділяють декілька варіантів їх розвитку:
1. Порушення співвідношення окремих компонентів їжі (переважно вуглеводне живлення, білкова недостатність добового раціону та ін.), що змінює обмін вітамінів. У ряді випадків це веде до розвитку вітамінної недостатності за рахунок порушення обмінних процесів.
2. Збільшення потреби організму у вітамінах у зв’язку з впливом на нього різних чинників зовнішнього середовища.
Крім клімато-географічних чинників, певне значення має також збільшений попит організму на вітаміни, обумовлений різними видами виробничої діяльності окремих груп населення (робота в гарячих цехах і т. д.).
3. Порушення вітамінного обміну при інфекційних процесах також примикають до дисиміляційної форми гіповітамінозу. Встановлено, що чим важче інфекційно-токсичний процес, тим більше вітамінів витрачається організмом.
4. Порушення внутрішніх перетворень окремих вітамінів, які наступають у результаті окремих захворювань печінки (гострий і хронічний гепатити, цирози печінки та ін.). Показано, що при цих захворюваннях:
1) порушуються процеси фосфорилування тіаміну і перехід його в кокарбоксилазу, що веде до різкого порушення вуглеводного обміну з утворенням недоокислених продуктів і особливо піровиноградної кислоти.
2) страждає депонування і окислення рибофлавіну;
3) порушується перехід каротину у вітамін А і депонування останнього;
4) знижується вміст нікотинової кислоти.
Таким чином, дисиміляційна форма гіповітамінозу може бути обумовлена різноманітними причинами або їх поєднанням.
Окрім розглянутих вище форм вітамінної недостатності, негативний вплив на вітамінний баланс в організмі можуть проявляти і деякі ліки (сульфаніламіди і антибіотики та ін).
Назви і класифікація вітамінів. На даний час відомо понад двадцяти вітамінів (табл. 1). З них найбільше значення мають близько дванадцяти. У міру відкриття вітаміни позначалися буквами латинського алфавіту і називалися за їх біологічною роллю: вітамін А – аксерофтол, вітамін Е – токоферол і т.д. В ході розвитку вчення про вітаміни буквені позначення довелося розширити, оскільки виявлялися нові індивідуальні речовини близького, аналогічного або нового біологічного значення. До буквених позначень почали приєднувати цифрові. Так, замість однієї назви „вітамін В” виникла ціла група – від вітаміну В1 до вітаміну В15. У міру розшифровки структури молекул вітамінів їм почали давати хімічні назви: нікотинамід, піридоксаль, тіамін, рибофлавін і т.д. Таким чином, у даний час використовуються буквені, тривіальні (названі по специфічній дії на організм) і хімічні назви окремих вітамінів. У 1956 р. Комісія по біохімічній номенклатурі Міжнародного союзу чистої і прикладної хімії прийняла нову номенклатуру вітамінів – ЮПАК, основану на хімічній будові молекули кожного вітаміну.
Існує декілька класифікацій вітамінів. Основні з них – фізична і хімічна.
Згідно фізичної класифікації всі вітаміни за ознакою розчинності в жирах або воді поділяються на дві групи: жиро- і водорозчинні. Ця класифікація є загальновизнаною. Деякі вчені (В.В. Єфремов) виділяють ще одну групу – вітаміноподібні сполуки, в яку входять холін, ліпоєва кислота, оротова кислота, вітамін В15, інозит, g-амінобензойна кислота, карнітин, вітамін U. Хімічна класифікація вітамінів основана на характері будови молекул: вітаміни аліфатичного ряду, вітаміни аліциклічного ряду, вітаміни ароматичного ряду, вітаміни гетероциклічного ряду.
Ми розглядаємо вітаміни за фізичною класифікацією.
Жиророзчинні вітаміни
Жиророзчинні вітаміни не розчиняються у воді, але розчиняються в органічних розчинниках, термостабільні, стійкі до зміни рН середовища, можуть частково депонуватися в тканинах людського і тваринного організмів. Найчастіше виконують пластичні функції – беруть участь у формуванні структури і функціях клітинних мембран, рості і розвитку ембріонів (вітамін E), утворенні і регенерації кісткової (вітамін D) і епітеліальної (вітамін А) тканин, у процесах зсідання крові (вітамін К). Жиророзчинні вітаміни зазвичай не синтезуються в організмах людини і тварини. До цієї групи вітамінів належать вітаміни А, D, E, К, F і УХ.
Вітамін А. Дія вітаміну була відома задовго до нашої ери. На способи запобігання авітамінозу вказував ще Гіппократ (460 – 377 до н.е.). Спочатку вітамін був відкритий у молоці і названий як активний початок вершкового масла і риб’ячого жиру „розчинний в жирах чинник А”. Тільки в 1916 р. він отримав назву вітамін А.
Гіпо- і авітамінози. При недостатній кількості вітаміну А в раціоні сповільнюється ріст і розвиток, порушується структура покривних тканин – ороговіває епітелій. У людини і тварин порушується діяльність слізних залоз, виникає сухість рогівки ока (ксерофталмія), розм’якшується і дегенерує рогівка (кератомаляція), слабшає, особливо в темноті, і зникає зір (гемералопія). Порушується регенерація і відбувається розпад епітелію шкіри (дерматити), харчового каналу (виникає коліт), дихальних шляхів (бронхіти), у самок ороговіває епітелій піхви (кератити) і запалюється слизова оболонка сечовивідних шляхів (пієліти, утворюється вторинне ниркове каміння).
До недостатньої кількості вітаміну в раціоні особливо чутливі молоді організми: діти, телята, поросята і курчата. При цьому у курчат різко збільшуються розміри залозистого шлунку, порушується його евакуаторна і секреторна діяльність, що призводить до зменшення продуктивності і летального результату.
Гіпервітаміноз. При надлишку в раціоні вітаміну А або каротиноїдів виникає інтоксикація організму, з’являються судоми, парези, паралічі, втрата шерсті у тварин (навкруги рота і на шиї). Стоншування і переломи довгих трубчастих кісток, різні крововиливи (геморагії), кон’юнктивіти, риніти, ентерити, набряк мозку, може бути летальний результат.
Хімічна будова і властивості. Група вітаміну А включає декілька вітамінів, головними з яких є вітамін A1 (ретинол) і вітамін А2 (дегідроретинол). Хімічна будова цих вітамерів (різні форми одного і того ж вітаміну) вельми схожа. Всі вони в основі молекули мають b-іононове кільце, сполучене бічним ланцюгом з двома залишками ізопрена із спиртовою групою:
Спиртові групи ретинолу і дегідроретинолу вступають в реакції окислення, етерифікації, відновлення, внаслідок чого в процесі метаболізму крім вітаміну А-спирту може утворюватись вітамін А-кислота (ретиноєва кислота), вітамін А-альдегід (ретиналь) і вітамін А-ефір (пальмітат вітаміну А, ацетат вітаміну А). Кожна з цих форм виконує певну, характерну для неї, роль у різноманітних метаболічних процесах. У крові циркулює переважно спиртова форма вітаміну А, сітківці ока – альдегідна. В печінці вітамін А депонується у формі складних ефірів з вищими жирними кислотами, переважно у вигляді пальмітату.
Вітаміни групи А – кристалічні речовини блідо-жовтого кольору, голчатої форми, нерозчинні у воді і розчинні в органічних розчинниках. Термостабільні навіть при нагріванні до 120 – 130°C. При дії сонячного світла молекули вітамерів швидко руйнуються.
Природні джерела і потреба. Чистий вітамін А міститься в печінці, особливо в печінці риб (наприклад, морського окуня – до 37%, палтуса – до 2,5 – 5% загальної маси), коров’ячому маслі і молоці. Травоїдні тварини одержують вітамін з кормами у вигляді рослинного пігменту, провітаміну каротину. Існують a-, b-, і g-каротини. Найбільшу цінність представляє b-каротин, при гідролізі молекули якого в харчовому каналі утворюється дві молекули вітаміну А:
Каротинами багатий стручковий перець (853 мг/кг), червона морква, пасовищна трава, зелена конюшина, кормова морква, люцерна.
Кількість вітаміну А визначається інтернаціональними одиницями, скорочено ІО. Кожна ІО містить в собі 0,68 мкг b-каротину або 0,38 мкг вітаміну А. Середня добова потреба людини тварин у вітаміні А, ІО в перерахунку на 100 кг живої маси така: людина – 2000 – 5000; корова (в період сухостою 15000 – 20000; під час лактації 10000 – 15000 + 5000 на 1 кг молока); коні 10000 – 15000; телята і лошата 10000 – 15 000; свиноматки 12000 – 15 000; поросята 12000 –15000. Потреба птахів у вітаміні А задовольняється раціонами, що містять 6000 – 10000 ІО/кг корму.
Обмін вітаміну А в організмі. Вітамін А і каротини з їжею та кормами поступають в харчовий канал. Ефіри вітаміну А гідролізуються до активної форми вітаміну А – ретинолу і вищих жирних кислот. Гідроліз каротинів здійснюється каротиназою ефірів – естеразою підшлункового і кишкового соків, емульгування – жовчю. Вітамін А і частина каротинів всмоктуються слизовою оболонкою тонкої кишки, потім – через кровоносну та лімфатичну системи поступають в печінку, з неї – до інших органів і тканин, де використовуються для структурних і метаболічних потреб.
У печінці нагромаджується до 90% загальної кількості вітаміну А. Невелика кількість вітаміну зосереджена також в мітохондріальній, мікросомальній і ядерній фракціях нирок, легенях, наднирниках, залозах внутрішньої секреції, молочних залозах, шкірі і, особливо, сітківці ока. Надлишок вітаміну А виділяється з калом, а в умовах патології – із сечею. В молоці різних тварин міститься 0,5 – 0,7 мг/кг вітаміну А, в коров’ячому – ще і каротинів 0,08 – 0,24 мг/кг.
Значення вітаміну А для обміну речовин. Вплив вітаміну А на обмін речовин багатогранний. Механізм окремих реакцій обміну поки що не вивчений. Вважають, що вітамін А – незамінний компонент плазматичної мембрани, де він виконує функції рецептора речовин – сигналів, які мають відношення до диференціювання і морфогенезу. Здатність вітаміну А запобігати виникненню інфекційних захворювань забезпечила йому назву – антиінфекційний. При А-вітамінній недостатності сповільнюється біосинтез глікогену і прискорюється гліколіз, порушується обмін різних груп мукополісахаридів, сповільнюється біосинтез білків, зменшується вміст ліпідів. Вітамін А впливає на тканинне дихання і енергетичний обмін, оскільки від забезпеченості організму вітаміном залежать швидкість окислення трикарбонових кислот і процеси окислювального фосфорилування. Недостатня кількість вітаміну А позначається на біосинтезі кортикостероїдів, оскільки гальмується утворення стероїдного скелета на стадії перетворення сквалену в холестерин. У всіх цих реакціях вітамін може брати участь у формі спирту, альдегіду, кислоти і ефіру.
Виключно важлива роль вітаміну А для зору. Фотони через зіницю поступають в заломлюючі середовища очей (рогівку, кришталик, склоподібне тіло) і на сітківку. В сітківці є два види фоторецепторів – палички і колби. Палички і колби містять зоровий пурпур, або білок родопсин. До складу родопсину входить альдегід вітаміну А 11-цис-ретиналь (хромофорна група) і білковий компонент опсин. Родопсин поглинає кванти світла. Під їх впливом 11-цис-ретиналь ізомеризується в транс-ретиналь. Відбувається фотоліз молекули родопсина. При цьому виникають електричні сигнали, які передаються по шарах нервових клітин сітківки через зоровий нерв у середній і проміжний мозок, зорові області кори великих півкуль. Під впливом ферменту алкогольдегідрогенази транс-ретиналь частково відновлюється в транс-ретинол, який разом з транс-ретинолом, що поступив з током крові, під впливом ретинолізомерази таутомеризується в цис-ретинол. Останній під впливом алкогольдегідрогенази і за наявності НАД окислюється до цис-ретиналя, який з’єднується з опсином (по типу шифових основ), утворюючи родопсин. Під час зорового акту частина ретиналя руйнується. Для відновлення рівноваги необхідно, щоб в сітківку з крові поступали нові порції вітаміну А. Без цього наступає „куряча сліпота”. Біохімічні процеси при зоровому акті відображає схема:
Антивітаміни. До антиметаболітів відноситься один з продуктів окислення вітаміну А оксидом ванадію – „сполука Z”. Надходження цієї речовини в організм викликає типовий авітаміноз А.
Застосування вітаміну А. Раціон багатий каротином, і препарати вітаміну А застосовуються при лікуванні гіпо- і авітамінозів, при захворюванні очей, травних органів, дихальних і сечостатевих органів, дерматитах, повільній епітелізації ран і язв, аліментарній дистрофії та ін.
Вітамін D. З групи вітамінів D найважливішими є два вітамери: D2 (ергокальциферол) і D3 (холекальциферол). Назва вітаміну D1 не вживається, оскільки він є неочищеним препаратом, що складається з суміші кальциферолу та інтактної речовини люмістерину. Вітамін D часто називають антирахітичним, оскільки він оберігає людину і тварин від рахіту.
Гіпо- і авітамінози. За відсутності або недостатньої кількості в раціоні вітаміну D у дітей і молодняка тварин, розвивається рахіт, у дорослих – остеомаляція, у старих – остеопороз. Іноді ці явища виникають при порушенні в раціонах співвідношення Ca : P (норма 2:1 або 1:1, патологія – 3:1 або 1:2), за відсутності інсоляції і моціону.
Рахіт спостерігається у дітей та молодняка тварин в період активного росту кісток, найчастіше – у поросят, лошат, телят і курчат. Найбільш чутливі до цього захворювання курчата. Ранні ознаки захворювання виявляються в міопатіях (втрата тонусу м’язів, ослаблення їх – гіпотонія). З’являється о- і х-подібна постановка кінцівок, спостерігається викривлення хребта, западає грудна клітка. Разом з тим спостерігається розростання кісткової тканини на реберних дугах – „рахітичні чотки”, з’являються „бугри” на черепі і „браслети” на епіфізах кінцівок. Внаслідок затримки процесів окостеніння кісток черепа значно збільшуються розміри голови, порушується розвиток зубів, запізнюється їх прорізування й утворення дентину. Хода стає скутою, суглоби опухають, можливе виникнення ознак тетанії. Кістки стають м’якими, легко ріжуться ножем, деформуються і не здатні протистояти механічному навантаженню. В крові різко зменшується вміст кальцію і фосфору, а в кістках – вміст фосфорнокислих солей кальцію. Спостерігаються втрата апетиту, апатія, диспепсичні явища (блювання, понос), анемія, нерідко спостерігається загибель тварин.
У хворих значно зменшується вміст гемоглобіну, порушується діяльність серцево-судинної системи, знижується артеріальний тиск, збільшується розміри серця. Спостерігається підвищена збудливість, пітливість, поганий сон.
Остеомаляція – захворювання організму, що характеризується розм’якшенням і деформацією кісток у результаті порушення мінерального обміну. У тварин знижується апетит (з’являється „лизуха” і поїдання неїстівних речовин), з’являється кульгавість, розхитуються зуби, викривляється або прогинається хребет, спостерігається швидка втомлюваність і залежування. Декальцинуються хвостові хребці і інші кістки скелета.
У старих людей і тварин при недостатній кількості або відсутності вітаміну D, порушеннях співвідношення в раціоні Ca:P, виникає остеопороз – розрідження губчастої і компактної речовини кісток у результаті розсмоктування кісткової тканини. Виникають спонтанні переломи.
Гіпервітаміноз. Виникає при надлишку в раціоні вітаміну D. З’являються гіперкальцинемія, явища диспепсії, порушуються травлення, серцева діяльність, різко знижується рівень продуктивності, кістки стають неміцними і можуть бути спонтанні переломи. За даних умов підвищується температура тіла і кров’яний тиск, значно збільшується концентрація кальцію в крові, спостерігається кальцифікація деяких тканин і органів – нирок, серця, легень, а також стінок кровоносних судин. Введення в організм додаткової кількості вітаміну А знімає токсичність надмірних доз вітаміну D.
Хімічна будова і властивості. Вітамін D є похідним вуглеводня циклопентанпергідрофенантрена. Вітамери D2 і D3 мають попередників (провітамінів): ергостерин, що міститься в рослинних кормах і дріжджах, і 7-дегідрохолестерин, що утворюється в тканинах тварин з холестерину. Обидва попередники перетворюються на вітаміни в підшкірній жировій клітковині під впливом ультрафіолетового проміння через ряд проміжних реакцій:
Вітамін D є безбарвною кристалічною речовиною з невисокою температурою плавлення, він не розчиняється у воді, але розчиняється в жирах і органічних розчинниках, при нагріванні до 125°C розкладається.
Природні джерела і потреба. Людина і тварини одержують як чистий вітамін D, так і у вигляді попередників. Найбільше ергостерину міститься в пекарних дріжджах (до 2% сухої маси), дещо менше в кормових. 7-Дегідрохолестерин утворюється з холестерину в шкірі при ультрафіолетовому опромінюванні. Обидва попередники складають 34 – 56% активності відповідних вітамерів. Активність вітаміну D визначається в інтернаціональних одиницях (ІО): 1 ІО = 0,025 мкг вітаміну D2. В їжі та кормах натуральної вогкості міститься така кількість вітаміну D в мг, ІО: пивні дріжджі – 2,5 – 12,5 мг на 100 г; жовток яйця – 0, 0125 мг на 100 г; молоко – 0,00025 мг на 100 г; печінковий жир (тунець – 100 – 150 мг на 100 г; тріска – 0,125 – 0,750 мг на 100 г); сіно лугове, висушене на сонце 620 ІО на 1 кг; сіно лугове, висушене під навісом 210 ІО на 1 кг; сіно люцерни 570 – 300 ІО на 1 кг; кукурудзяний силос 150 ІО на 1 кг; зелені частини рослин, капуста, картопля – 0.
Людина і тварини потребують вітаміну D. Так, середня добова потреба у вітаміні для людини складає – 500 – 1000 ІО, корови – 5000 – 8000 ІО на 100 кг живої маси, вівцематок – 500 – 1000, свиноматок і кабанів – 1000 – 2000, поросят (на голову) – 250, курчат – 450 ІО.
Обмін вітаміну D в організмі. Вітамін D всмоктується в тонкій кишці. Процес всмоктування стимулюється наявністю в раціоні жирів і присутністю в химусі жовчі. У людини і щурів всмоктується близько 80% вітаміну D, що знаходиться в їжі, у інших хребетних, особливо у жуйних, менше. Через лімфатичну систему у вигляді хіломікронів і біокомплексів вітамін D потрапляє в загальне кровоносне русло, потім у печінку. Частина вітаміну зв’язується з a2-глобулінами і переноситься в тканини. В організмі переважає вітамін D3 (85% всіх вітамерів).
Основним депо вітаміну D є шкіра, де його міститься в 2 – 3 рази більше, ніж у печінці і крові. Надлишок вітаміну D і продукти його розкладання (хопростерин та ін.) виділяються з калом.
Значення вітаміну D в обміні речовин. Роль вітаміну в обміні речовин багатогранна. Перш за все, вітамін бере участь в регуляції співвідношення Ca : P у крові, стимулює їх всмоктування в кишках (підвищується проникність слизової оболонки), сприяє перенесенню іонів Ca2+ від стінки кишок в плазму крові і від плазми крові в кісткову тканину, активує діяльність лужної фосфатази в зонах окостеніння і підтримує в плазмі крові на певному рівні добуток концентрації [Ca2+]×[HPO42-]. Існує зв'язок між регулюючою функцією вітаміну D і гормонами мінерального обміну – тиреокальцитоніном і паратгормоном. Вітамін D збільшує затримання іонів Ca2+ кістковою тканиною, засвоєння сірки хондроіцитами при утворенні хрящової тканини і остеоцитами – при синтезі оссеомукоїдів та оссеїна. При зменшенні концентрації іонів Ca2+ в крові вітамін D прискорює його перехід з кісток в кров.
Вітамін D є індуктором синтезу кальційзв’язуючого білка. Він посилює ДНК-залежний синтез РНК, що позитивно відображається на біосинтезі білків-переносників, відповідальних за всмоктування іонів Ca2+. Вітамін D посилює реакції окислювального фосфорилування і утворення фосфорних ефірів тіаміну. Він сприяє реабсорбції фосфатів, амінокислот і іонів Ca2+ з первинної сечі в плазму крові.
Антивітаміни. З деяких рослин і капусти була виділена речовина, яка володіє властивостями антивітаміна. Хімічна будова її не вивчена. Відомо, що в дозі 0,2 мкг/добу вона інактивує дію вітаміну D.
Застосування вітаміну D. Препарати вітаміну D використовують з профілактичною і лікувальною метою. Пологовому парезу корів можна запобігти, вводячи їм за декілька діб до пологів вітамін D. Вітамін D рекомендується вживати людині і тваринам при рахіті, остеопорозі, остеомаляції, тетанії поросят, переломах кісток, дерматитах в поєднанні з ультрафіолетовим опромінюванням.
Вітамін E. Вітамін E об’єднує групу природних і синтетичних речовин, які мають різний ступінь Е-вітамінной активності, названу токоферолами. Відкритий в 1922 р. як біологічний чинник, що оберігає людину і тварин від безплідності і порушення функцій розмноження. Тому його називають ще вітаміном розмноження (антистерильний).
Гіпо- і авітамінози. При недостатній кількості або відсутності вітаміну E в раціоні перш за все порушуються функції розмноження. У самців дегенерує епітелій насінних канальців, гальмується сперматогенез і згасають статеві рефлекси. У самок яєчник зберігає нормальну будову, але порушується розвиток плоду, що завершується абортом і безплідністю. Безплідність самок, на відміну від самців, в більшості випадків виліковна, якщо в раціон ввести потрібну кількість вітаміну E. Крім цього відсутність вітаміну Е негативно впливає на цілий ряд метаболічних процесів, а також структуру і функцію різних органів і тканин, насамперед на посмуговану м’язову тканину і м’язи серця. Це виявляється в міопатіях, м’язовій дистрофії яка у важких випадках закінчується паралічами мускулатури різних частин тіла. При гіповітамінозі порушується порозність клітинних мембран, зростає їх проникність, наступає розпад, особливо лізосом і мітохондрій. Відбувається гемоліз еритроцитів. Порушується фосфорний обмін, окислювальне фосфорилування, утворення АТФ у всіх тканинах і фосфагена в м’язах.
Авітаміноз, найчастіше спостерігається у свиней і, особливо, у курей, качок, індичок. Авітаміноз ембріонів птахів на 5 – 7-му добу розвитку завершується їх загибеллю.
Гіпервітаміноз. Вітамін Е не токсичний. При застосуванні його в лікувальній дозі ознак гіпервітамінозу не спостерігається.
Хімічна будова і властивості. Р. Еванс, О. Емерсон і Г. Емерсон у 1936 р. з масла зародків пшениці виділили дві речовини, які володіли Е-вітамінною активністю: a- і b-токофероли. Е-вітамінною активністю володіє також g-токоферол. Однак найбільшою біологічною активністю володіє a-токоферол. Якщо прийняти біологічну активність його за 100%, то активність b-токоферола складатиме – 40%, g-токоферола – 4 – 8%. Всі вони є похідними триметилгідрохінона і спирту фітола. Молекула токоферолів складається з хроманового ядра і залишку фітола:
b-Токоферол позбавлений метильної групи в положенні 7, g-токоферол – в положенні 5. Всі токофероли – жовті маслянисті рідини, добре розчиняються в жирах і органічних розчинниках, стійкі до нагрівання (навіть при 150 – 170°C зберігають активність), оптично активні, руйнуються під впливом ультрафіолетового опромінювання.
Природні джерела і потреба. Вітамін E синтезується в рослинах, дріжджах, водоростях. Деяка кількість токоферолів нагромаджується в м’ясі, салі, молоці, яєчному жовтку. Активність вітаміну вимірюється ІО: 1 ІО = 1 мг a-токоферол ацетату.
1 кг їжі та кормів натуральної вогкості містить такі концентрації вітаміну E, ІО: рослинні олії: (соняшникове – 35; соєве – 104; кукурудзяне – 100; облепіхове – 1680; бавовни – 70 – 100); зелені корми і силос – 20 – 50; сінна мука – 200; зерно 15 – 50; зародки зерна (пшениці – 150 – 300; кукурудзи – 150).
Добова потреба для людини у вітаміні Е точно не встановлена. Вважають, що орієнтовно в середньому вона становить 20 – 30 ІО, половина з яких припадає на a-токоферол. Для молочних корів і биків-виробників на добу потрібно 300 – 500 вітаміну E на 100 кг живої маси, телят – 20 –40, вівцематок – 30 – 50, свиноматок і кабанів – 60 – 100 ІО.
Обмін вітаміну E в організмі. До 80% прийнятого з харчами вітаміну E всмоктується в тонкій кишці. Депонується в печінці, жировій тканині, менше – в м’язовій, міокарді, наднирниках, селезінці, плаценті. В гепатоцитах і клітинах слизової оболонки кишечника щурів, наприклад, 50 – 60% a-токоферола сконцентровано в мітохондріях, 15 – 20% – в мікросомах і гіалоплазмі. Надлишок токоферолів і продукти їх розпаду виділяються в основному з калом, причому, токофероли не зазнають ніяких перетворень. У сечі виявляються продукти розпаду вітаміну E у вигляді хіноїдних сполук.
Значення вітаміну E в обміні речовин. Вітамін E сприяє біосинтезу білків, впливаючи на синтез молекул іРНК. З наявністю в клітинах вітаміну E пов’язана активність ферментів, що містять сульфгідрильні групи. Він бере участь у клітинному диханні як переносник електронів. З наявністю в тканинах достатньої кількості токоферолів пов’язані процеси синтезу убіхінона. Вітамін необхідний для утворення креатину і фосфагена, біосинтезу фосфатидів, ацетилхоліну, зв’язування протромбіна і перетворення каротинів у вітамін А. Токофероли, являючись природними антиоксидантами, оберігають тканини від накопичення перекисних сполук. З наявністю токоферолів пов’язана міцність мембран.
Антивітаміни. Антагоністами вітаміну E є альдегіди і кетон, які утворюються при гіркненні ліпідів і, особливо, жирів.
Застосування вітаміну E. Раціон, багатий вітаміном E, і препарати вітаміну E застосовують при лікуванні м’язової дистрофії, порушенні функцій статевого апарату, білом’язової хвороби. Вітамін застосовується з профілактичною метою. Його додавання до раціону оберігає від епідемічних абортів, усуває парези і паралічі. Невеликі добавки вітаміну E стабілізують масляні розчини вітамінів А і D і оберігають масла від гіркнення.
Вітамін К. Вітамін К складається з чотирьох природних форм – вітаміну K1 (філохінона) і вітаміну К2 (фарнохінона), К3 і К4. У 1942 р. О.В. Палладіним і M.M. Шемякіним був отриманий їх синтетичний аналог – вікасол. Біологічна активність філохінонів неоднакова. Вітамін К1 у 1,5 рази активніший за вітамін К2, а активність вітаміну К3 у 3 – 4 рази більша за активність вітаміну К1. Серед синтетичних аналогів найбільшу активність проявляє метинон, однак він відзначається поганою розчинністю і подразнюючим впливом на слизові оболонки, що значно обмежує його використання. Вітамін К називають антигеморагічним вітаміном.
Гіпо- і авітамінози. При недостатній кількості або відсутності в раціоні вітаміну К у людини і тварин виникає геморагічний діатез, крововиливи (підшкірні, носові, внутрішньом’язові, порожнинні), знижується здатність крові зсідатися і знижується в ній рівень протромбіна. Виникають явища анемії.
Найбільш чутливі до недостатньої кількості вітаміну: людина, птахи, менше – велика рогата худоба. Курчата гинуть через 2 – 3 тижні після початку авітамінозу.
Гіпервітаміноз. Надлишок вітаміну не викликає гіпервітамінозу.
Хімічна будова і властивості. Вітамери К – похідні нафтохінона з ізопреновими бічними ланцюгами різної довжини. Вітамін K1 включає ядро нафтохінона і залишок фітола:
Вітамін К2 відрізняється від попереднього будовою бічного ланцюга. До його складу входить від 30 до 45 атомів вуглецю і від 6 до 9 подвійних зв’язків. Формула вітаміну К2 має такий вигляд (n -число мономерів від 5 до 8):
У клінічній практиці застосовується натрієва сіль дисульфітного похідного 2-метил-1,4-нафтохінона – вікасол:
Вітамін К1 – є жовтою маслянистою рідиною, нерозчинною у воді, нестійкою при нагріванні в лужному середовищі і при ультрафіолетовому опромінюванні. Вітамін К2 – жовті кристали, з температурою плавлення 54°C, не розчиняються у воді, але розчиняються в органічних розчинниках.
Вікасол – це безбарвні кристали, які добре розчиняються у воді, мають температуру плавлення 105 – 106°C, при дії сонячного світла перетворюються в димер.
Природні джерела і потреба. Джерелами вітаміну К є зелені частини рослин, в мг на 100 г сухої маси: люцерна – 1,7 – 3,4; лугова трава – 1,7; капуста – 0,6 – 3,4; шпинат – 4,0 – 6,0; гарбуз – 4,0; горох – 0,7; морква та ягоди шипшини – по 0,08.
З продуктів тваринного походження: печінка – 0,4 – 0,8; яйця – 0,08; м’ясо великої рогатої худоби – 0,8 і рибна мука.
У людини, дорослих жуйних і свиней потреба у вітаміні може частково задовольнятися за рахунок бактерійного синтезу в харчовому каналі.
Добова потреба людського організму за О.В. Палладіним складає 15 мг (в перерахунку на вікасол). Телятам і поросятам при ранньому відбиранні слід додавати в корми вітамін К з розрахунку 1 – 5 мг/кг корму. Особливо чутливі до недостатньої кількості вітаміну птахи. Курчатам, бройлерам в корм додається вітамін К в дозі 1 – 2 мг/кг корму або 2% сіно люцерни.
Обмін вітаміну К в організмі. Вітамін К всмоктується разом з ліпідами в краніальних ділянках тонкої кишки. Ці процеси активуються жовчю. 25 – 51% введеного в організм вітаміну депонується в мікросомах печінки. Частина вітаміну депонується в тканинах міокарду, селезінки, в ретикулоендотеліальній системі.
Метаболіти вітаміну К виділяються в основному з сечею, у вигляді кон’югатів з глюкуроновою кислотою, частково – з калом.
Значення вітаміну К для обміну речовин. Вітамін К бере участь в біосинтезі компонентів, необхідних для зсідання крові.
За його участю в гепатоцитах утворюється протромбін, який при необхідності переходить в тромбін (без нього неможливе перетворення фібриногена у фібрин).
Крім антигеморагічної дії вітамін К виявляє також позитивний вплив на окисно-відновні процеси в організмі. Вітамін К є простетичною групою ферменту менадіонредуктази. Він бере участь у перенесенні електронів від відновленого НАДФ∙Н2 на молекулярний кисень через систему цитохромів, а також є стимулятором процесів окислювального фосфорилування, в результаті яких здійснюється синтез макроергічних сполук, зокрема, АТФ, КФ та ін. З присутністю вітаміну К в тканинах пов’язана активність креатинкінази, гексокінази і міозинової АТФ-ази. Вітамін К стимулює біосинтез білків крові – альбумінів і глобулінів, ферментів амілази, пепсину, трипсину, ліпази і ентерокінази. Існує синергізм і взаємозамінність вітамінів К і E в реакціях енергетичного обміну. Вітамін К запобігає токсичній дії вітаміну А при гіпервітамінозі.
Антивітаміни. Для вітаміну К існує декілька антивітамінів: дикумарол – міститься в тухлому конюшиновому сіні, саліцилова кислота, дифтіокол, тримексан (в 50 разів активніше дикумарола) та ін.:
Застосування вітаміну К. Вітамін К та його препарати (метинон, вікасол та ін.) використовують для лікування геморагій, кровотеч після хірургічного втручання, гепатитах, хронічних виразках, К-авітамінозах, отруєннях дикумарином.
Вітамін F. Вітамін F є комплексом ненасичених жирних кислот, які не можуть синтезуватися в організмі людини і тварини. Це лінолева, ліноленова і арахідонова кислоти.
Гіпо- і авітамінози. Причиною гіпо- і авітамінозів є недостатня кількість або повна відсутність у раціоні ненасичених вищих жирних кислот. Ознаки F-авітамінозу у людини не відомі. У тварин виникає сухість і лущення шкіри, випадає шерсть і спостерігається кільчасте відкладення лупи на лапах, вухах і хвості, відмирає кінчик хвоста, затримується ріст, порушується лактація і репродукція. Ряд ділянок шкіри уражаються дерматитами, в стінках кровоносних судин відкладається надлишок холестерину, порушується їх еластичність, утворюються атероматозні бляшки у коронарних судинах, що призводить до розвитку атеросклерозу, наступають розриви судин і крововиливи.
Гіпервітамінози не спостерігаються.
Хімічна будова і властивості. Для ненасичених жирних кислот, які складають вітамін F, характерні подвійні зв’язки:
Найбільшою біологічною активністю володіє арахідонова кислота, однак у харчових продуктах її міститься незначна кількість. Ліноленова кислота малоактивна й основна її роль заключається в активації лінолевої кислоти, яка міститься у продуктах у значній кількості. При наявності піридоксину лінолева кислота перетворюється на ліноленову та арахідонову:
Лінолева кислота g-Ліноленова кислота Арахідонова кислота
Останнім часом до речовин, які володіють F-вітамінною активністю також відносять нонадекадеїнову, ейкозадеїнову і октадекатрієнову кислоти. Ненасичені жирні кислоти, що складають вітамін F, – це безбарвні олієподібної консистенції рідини, які не розчиняються у воді і розчиняються в органічних розчинниках, киплять при високих температурах (лінолева – 182°C, ліноленова – 184°C).
Природні джерела і потреба. Ненасичені жирні кислоти містяться переважно у рослинних оліях: горіховій (63 – 76%), маковій (63 – 74%), соняшниковій (52 – 64%). Лінолева кислота входить до складу тригліцеридів рослинних олій і тваринних жирів (китового). До 30% залишків ліноленової кислоти міститься в тригліцеридах льняної олії, до 55% – перилевої олії. Арахідонова кислота – складова частина жирів рослин бобів. Добрим джерелом арахідонової кислоти є олія земляного горіха – арахісу.
Потреба людини і тварин у вітаміні F вивчена недостатньо. Добова потреба в поліненасичених жирних кислотах за даними деяких дослідників складає 2 – 10 г.
Обмін вітаміну F в організмі. Вітамін F поступає в організм у складі жирів. Перетравлювання і всмоктування їх аналогічно перетравлюванню і всмоктуванню жирів. Відкладається в печінці, потім з током крові поступає в різні тканини і клітини. Служить сировиною для біосинтезу більшості ліпідів. Ліпіди наднирників містять близько 20% залишків арахідонової кислоти. Обмін ненасичених жирних кислот протікає звичайним шляхом.
Значення вітаміну F для обміну речовин. Біологічна активність вітаміну пов’язана з наявністю в його молекулі подвійних зв’язків. Бере участь у обміні ліпідів, у посиленні ліпотропного впливу холіна, сприяє виділенню надлишку холестерину з організму, утворюючи з ним розчинні стериди. Стінки кровоносних і лімфатичних судин після видалення нерозчинних ефірів холестерину набувають еластичності і стійкості. Впливає на стан шкірного і шерстного покриву, репродукцію і молочну продуктивність.
Вітамін F стимулює дію деяких вітамінів (С, В1, В6). Вітамін B6 сприяє біосинтезу тканинами деяких жирних кислот, що входять до складу вітаміну F.
Є дані відносно позитивного впливу вітаміну F при захворюваннях ендокринних залоз (гіпотиреозі), а також при різних дерматитах та екземах.
Антивітаміни не встановлені.
Застосування вітаміну F. У клінічній практиці застосовують лінетол – суміш тригліцеридів трьох жирних кислот, що складають вітамін F. Його одержують з льняної і соняшникової олій. Використовується при лікуванні опіків. При вживанні всередину оберігає організм від атеросклерозу.
УбіхІнон. Убіхінон був відкритий у 1955 р. у складі жирів. Назва вітаміну дана у зв’язку з повсюдним розповсюдженням його в клітинах.
Гіпо- і авітамінози вивчені недостатньо.
Гіпервітамінози не відомі.
Хімічна будова і властивості. Вітамін є похідним хінона, який містить метильну, дві метоксильних групи в ядрі і угрупування ізопрена, що складається з 6 – 10 мономерів – в бічному ланцюзі:
Якщо бічний ланцюг містить шість мономерів (n=6), то убіхінон позначають УХ6. У ссавців переважає УХ10 (n=10), у комах – УX9 (n=9) або УХ10, у рослин – УХ8-10 і т.д. Убіхінон – безбарвна кристалічна речовина, нерозчинна у воді і розчинна в органічних розчинниках.
Природні джерела і потреба. Убіхінон присутній у всіх живих організмах. Сам вітамін може синтезуватися в організмі тварини з бензохінона і поліізопренового ланцюга. Вітамін знайдений в мітохондріях, мікросомах і розчинній фракції клітин. Багато його міститься в тканинах міокарду. Потреба в цьому вітаміні не вивчена.
Обмін вітаміну в організмі. Організми одержують убіхінон з їжею та кормами і частково в результаті синтезу власними тканинами. Обмін вітаміну в організмі вивчений недостатньо.
Значення вітаміну для обміну речовин. Убіхінон – обов’язковий компонент дихального ланцюга при біологічному окисленні. Локалізується на внутрішніх мембранах мітохондрій, бере участь у перенесенні електронів і протонів у дихальному ланцюзі на ділянці між флавопротеїдом і цитохромом b. Біологічна дія вітаміну як кофермента основана на його здатності до оборотних окисно-відновних перетворень. Він акцептує протони і електрони, що поставляються різними дегідрогеназами (СДГ, ЛДГ, МДГ, АДГ), і передає їх у цитохромний ланцюг.
Антивітаміни не встановлені.
Застосування вітаміну. Убіхінон застосовується в клініці. Були отримані позитивні результати при лікуванні деяких серцево-судинних захворювань, зокрема, інфаркту міокарду.
Водорозчинні вітаміни
Водорозчинні вітаміни не розчиняються в жирах і багатьох органічних розчинниках, але добре розчиняються у воді, термолабільні, не стійкі до змін рН, не можуть депонуватися в тканинах. Є складовими частинами ферментів і безпосередніми учасниками більшості реакцій обміну речовин у всіх живих, організмах.
До водорозчинних відносяться вітаміни B1, B2, B3, В5, B6, Вс, B12, H, С і P.
Вітамін В1. Вітамін В1 (тіамін) – один з перших вітамінів, відкритих наукою. Вивчення вітаміну було пов’язано із з’ясуванням захворювання „бері-бері”, поширеного в країнах Південно-східної Азії.
Гіпо- і авітамінози. При недостатній кількості або відсутності в раціоні вітаміну В1 розвиваються гіпо- і авітамінози. У людини і тварин В1-авітаміноз екзогенного походження пов’язаний перш за все з неповноцінністю харчування.
Важливе значення в етіології авітамінозу відіграють також ендогенні фактори, а саме:
а) підвищена потреба в ньому при різних захворюваннях (тиреотоксикозі, алкоголізмі), а також під час вагітності і лактації;
б) порушення всмоктування вітаміну В1 внаслідок розладу секреторної функції тонкої кишки;
в) руйнування вітаміну В1, у травному каналі внаслідок розвитку в ньому патологічної мікрофлори, зокрема бацил, що містять тіаміназу.
У людини найбільш ранніми проявами нестачі вітаміну В1 є втрата апетиту, порушення секреторної і моторної функцій кишок. Спостерігаються також порушення з боку нервової системи: підвищена збудливість, боязливість, схильність до галюцинацій, втрата здатності до зосередження та втрата пам’яті на недавні події, порушення розумової діяльності. При більш тривалій відсутності вітаміну В1 виникає втрата чутливості, сильні болі по ходу нервових волокон, особливо в нижніх кінцівках, розвивається м’язова слабкість, у важких випадках – атрофія м’язів, параліч спочатку нижніх, а потім і верхніх кінцівок, кахексія (виснаження). Останні симптоми особливо характерні для важких форм В1-авітамінозу, внаслідок яких розвивається захворювання „бері-бері”. За В.Б. Спіричевим, розрізняють три форми захворювання „бері-бері”:
1. Суха, або поліневритна, форма, коли на перший план поряд з кахексією виступають порушення периферичної нервової системи;
2. Форма, при якій крім явищ поліневриту спостерігається також порушення діяльності серцево-судинної системи з ураженням серцевого м’яза;
3. Перниціозна форма, при якій досить швидко настає смерть внаслідок гострої серцевої недостатності.
Що стосується тварин, то до недостатньої кількості в раціоні вітаміну B1 найбільш чутливі птахи, телята, ягнята, коні, свині, собаки і хутрові звірі. При цьому спостерігаються порушення нервової діяльності (парези і паралічі), серцево-судинної системи (стенокардія), харчового каналу (зменшується секреція травних залоз, атонія, відсутність апетиту), різко падає рівень продуктивності. У птахів на ранніх стадіях авітамінозу виникають судоми м’язів шиї, у свиней порушується ритм роботи серцевого м’яза. Розвивається гіперглікемія, ацидоз, в крові нагромаджується багато піровиноградної кислоти, в підшлунковій залозі дегенерують острівці Лангерганса, в наднирниках – хромафінна тканина, в різних ділянках нервової системи – нейрони. Розвиваються крововиливи, парези, паралічі, спостерігається різке виснаження і наступає смерть.
Гіпервітаміноз. Гіпервітаміноз вітаміну B1, як і більшості вітамінів групи В, зазвичай не спостерігається.
Хімічна будова і властивості. Вітамін В1 є похідним двох сполук – тіазола (4-метил-5-оксіетилтіазола) і піримідина (2-метил-5-оксиметил-6-амінопіримідина):
Вітамін B1 – білий кристалічний порошок гіркий на смак, з характерним запахом, в кислому середовищі стійкий до нагрівання до 140°C, в лужному – перетворюється на тіохром.
Природні джерела і потреба. Вітамін B1 синтезується тканинами рослин і мікробами. В 1 кг міститься вітаміну B1, мг: пивні дріжджі – 68,6; пекарські дріжджі – 30,0; трава (різнотрав’я, конюшина, люцерна) – 10,0; зерно ячменю – 3,1; картопля – 1,0. Невелика кількість вітаміну міститься також у продуктах тваринного походження: печінці – 0,04, м’ясі – 0,01 – 0,04.
Потребу у вітаміні організми задовольняють за рахунок екзогенного тіаміну (людина) і часткового бактерійного синтезу в харчовому каналі (ВРХ). Тіамін у жуйних (головним чином у рубці) синтезується бактеріями виду Flavobacterium vitarumen. Вміст вітаміну зменшується у міру переходу від рубця до сичуга.
Для людини добова потреба значною мірою залежить від віку, фізичного навантаження та фізіологічного стану організму і становить 2 – 3 мг на добу для дорослих і 0,5 – 2 мг для дітей і підлітків.
Добова потреба у вітаміні, наприклад, для свиней складає 1 – 1,8 мг на 1 кг сухої речовини корму, телят – 8 – 15 мг на голову, ягнят – 2 – 4 мг на голову.
Обмін вітаміну B1 в організмі. Організм одержує вітамін разом з харчами і за рахунок синтезу мікробами харчового каналу. Екзогенний тіамін поступає у вільному, етерифікованому і частково в зв’язаному вигляді. Дві останні форми розщеплюються в кишках під впливом відповідних гідролаз з утворенням вільного тіаміну. З током крові після всмоктування він швидко поступає до всіх органів і тканин. Частина тіаміну в печінці фосфорилується. Найбільші концентрації вітаміну виявлені в міокарді (до 360 мкг на 100 г), а також у печінці, мозку, легенях, нирках і наднирниках. Надлишок тіаміну і продукти його розпаду виділяються з сечею і частково з калом.
Значення вітаміну В1 для обміну речовин. Біологічне значення тіаміну перш за все обумовлено його коферментними функціями. Тіамін, який поступає в тканини з током крові, може фосфорилуватися під впливом ферменту тіамінпірофосфокінази. Тіамінпірофосфат складає 70 – 90% всіх фосфорних ефірів тіаміну тканин, решта кількості припадає на тіамінмонофосфат і тіамінтрифосфат. Тіамінпірофосфат є коферментом піруватдекарбоксилази, яка каталізує окислювальне декарбоксилування піровиноградної і інших a-кетокислот:
Однією з основних хімічних реакцій, в яких бере участь тіамінпірофосфат, є декарбоксилування піровиноградної кислоти – кінцевого продукту анаеробного розпаду вуглеводів. Під впливом піруватдекарбоксилази відбувається декарбоксилування піровиноградної кислоти з утворенням ацетил-KoA. Якщо в організмі недостатня кількість тіаміну, то фермент не синтезується, в тканинах нагромаджується піровиноградна кислота, виникає явище ацидозу, при якому руйнуються клітини, перш за все, нервової системи. Це призводить до розвитку в організмі ряду патологічних порушень, які характерні для гіпо- і авітамінозів B1. Крім того, тіамінпірофосфат входить до складу понад 30 ферментів, що належать до різних класів. Зокрема, він входить до складу молекули 2-оксоглутаратдегідрогенази, яка каталізує окислювальне декарбоксилування a-кетоглутарової кислоти до янтарної. Є складовою частиною транскетолази, що здійснює перенесення двовуглецевого залишку (активного гліколевого альдегіду) від ксилулозо-5-фосфата на рибозо-5-фосфат.
Тіамін прискорює реакцію дегідрування янтарної кислоти, оберігає вітамін С від окислення, забезпечує стабільність концентрації вітаміну B6 в тканинах, сприяє біосинтезу нуклеїнових кислот, білків, глюкози, глікогену і жирів у різних тканинах організму.
Антивітаміни. Антивітаміни діляться на дві групи – структурні аналоги тіаміну і тіамінази. Структурні аналоги можуть входити до складу молекул карбоксилази, витісняти з них тіамін, викликаючи гальмування їх дії.
До них відносяться такі речовини:
Тіамінази здатні розщеплювати молекулу тіаміну на дві неактивні частини: піримідинову і тіазольну.
Застосування вітаміну B1. Препарати вітаміну (тіамінбромід або тіамінхлорид) і раціон, багатий тіаміном, застосовують при лікуванні поліневритів і невритів, неврозів, стенокардії, нефриту, опіків, ахілії та ін.
Вітамін B2. Вітамін B2 (рибофлавін) вперше був виділений із сироватки молока і названий лактофлавіном. Він входить до складу „жовтого дихального ферменту”.
Гіпо- і авітамінози. Ранніми ознаками арибофлавінозу є характерні ураження слизових оболонок губ, ротової порожнини, внутрішніх органів. Досить типовим є своєрідний глосит – з’являються виразки в ротовій порожнині, запалений язик стає пурпурно-червоним, шорстким, грибовидні сосочки ущільнюються, з’являються тріщини. Виникають себорейні дерматити та екземи (особливо в області очних ямок, вух і грудей), порушується нормальне відтворення кишкового епітелію, що призводить до виразок слизової оболонки харчового каналу, знижується загальна стійкість організму проти інфекцій, сповільнюються процеси регенерації.
Досить характерним є ураження органів зору – васкуляризується рогівка, в ній розвивається помутніння, виникають кон’юнктивіти і кератити, анемія, з’являється світлобоязнь. Спостерігаються також зміни з боку нервової системи – апатія, головний біль, парестезії, почуття жару в ступнях ніг. Спостерігається м’язова слабкість, зниження температури тіла, падає пульс, зниження працездатності, особливо здатності до розумової праці.
Першою ознакою гіповітамінозу у тварин є затримка росту, зменшення приросту, надмірна витрата кормів, висока смертність. У ссавців на спині випадає шерсть. У птахів, крім того, розвивається різко виражена слабкість ніг, опухання суглоба п’яти, викривлення і скручування пальців по типу „кулака”. Авітаміноз викликає високу смертність ембріонів (свиней і птахів).
Хімічна будова і властивості. Вітамін B2 – похідне гетероцикла ізоалоксазина і спирту рибітола:
Вітамін B2 – кристалічна речовина жовто-оранжевого кольору зі специфічним запахом, гірка на смак, розчиняється у воді, не розчиняється в органічних розчинниках, водні розчини флуоресціюють, стійка до нагрівання (до 120°C) і розкладається при ультрафіолетовому опромінюванні.
Природні джерела і потреба. Джерелами вітаміну є продукти тваринного, рослинного і бактерійного походження. Організм тварин не може синтезувати рибофлавін. Деяку кількість рибофлавіну організм (наприклад, коні, рогата худоба) одержує в результаті його синтезу мікроорганізмами харчового каналу. Значна кількість його міститься в сироватці молока (2 мг на 100 г), сирові (4,6 – 6,02 мг на 100 г), пивних і пекарних дріжджах (4,0 – 8,0 мг на 100 г) овочах і фруктах (0,01 – 0,08 мг на 100 г).
Добова потреба у вітаміні B2 для дорослої людини становить 2,5 – 3,5 мг на добу і від 1 до 3 мг для дітей, для телят складає 4 – 8 мг, ягнят – 1,5, свиней – 2 – 4, курчат – 2,5 – 3 мг/кг корму.
Обмін вітаміну B2 в організмі. Рибофлавін в організм поступає з їжею у вільному і зв’язаному стані. До 50% рибофлавіну зв’язано з білками. Під впливом протеолітичних ферментів і соляної кислоти зв’язана форма вітаміну розщеплюється до білка і рибофлавіну. Рибофлавін всмоктується в тонкій кишці. Після всмоктування він фосфорилується в слизовій оболонці кишок, тканинах печінки, нирок і інших органів, оскільки вітамінними властивостями володіє не вільна, а фосфорильована форма вітаміну В2:
Під впливом специфічних ферментів фосфорильована форма перетворюється на моно- і динуклеотиди. При цьому утворюється два коферменти: флавінмононуклеотид (ФМН) і флавінаденіндинуклеотид (ФАД):
Рибофлавін + АТФ ФМН + АДФ;
ФМН + АТФ ФАД + Пірофосфат.
Більшість флавінових ферментів (ФФ) містять ФАД:
У молекулах багатьох флавінових ферментів містяться метали, які виконують, мабуть, функції фіксатора семіхінонових форм рибофлавіну, що бере участь в перенесенні електронів і протонів в дихальному ланцюзі.
Надлишок вітаміну і продукти його розпаду виділяється з сечею, калом і потом.
Значення вітаміну B2 для обміну речовин. Рибофлавін – складова частина більш ніж 60 флавінових ферментів, які беруть участь у клітинному диханні й інших реакціях обміну речовин. Частина ферментів – НАД∙Н2-цитохром-с-редуктаза і НАДФ∙Н2-цитохром-с-редуктаза – є акцепторами водню і його переносниками.
Здатність флавінових ферментів бути переносником водню пояснюється наявністю в ядрі ізоалоксазина в 1-му і 10-му положеннях подвійних зв’язків, по місцю розриву яких і приєднується водень:
де R – залишок нуклеотида і білок-носій. Після приєднання водню ФФ стає безбарвним. Обмін рибофлавіну тісно пов’язаний з обміном білків, нуклеїнових кислот, вуглеводів, ліпідів, з окислювальним фосфорилуванням та ін.
Антивітаміни. Антагоністами рибофлавіну є його структурні аналоги – дихлорриботилізоалоксазин, динітрофеназин, ізорибофлавін та ін.
Застосування вітаміну B2. Рибофлавін і природні джерела, багаті ним, використовуються при лікуванні багатьох захворювань (променевої хвороби, гепатитів, дерматитів, іритів, кератитів) і авітамінозів.
Вітамін B3. Вітамін B3 (пантотенова кислота) іноді називають антидерматичним вітаміном. Вперше виділений із рисових висівок і тканин печінки.
Гіпо- і авітамінози. При недостатній кількості або відсутності вітаміну в раціоні у людини спостерігається слабкість, швидка втомлюваність, парестезії (оніміння) кінцівок, дерматити, схильність до інфекційних захворювань, зниження кислотності шлункового соку. У тварин спостерігається втрата шерсті (у птахів – пір’я), з’являються струпи у очних ямок, у кутках рота, виникають поноси, порушується координація рухів, знижується кров’яний тиск, затримується і зупиняється ріст, зменшується продуктивність і опірність організму до хвороб (гальмується вироблення антитіл), наступає смерть. Авітаміноз характерний для свиней, собак і птахів. Його причиною є одноманітний безвітамінний корм, надмірне використання антибіотиків та ін.
Гіпервітамінози. Пантотенова кислота не токсична і ознак гіпервітамінозів не має.
Хімічна будова і властивості. В утворенні пантотенової кислоти беруть участь a-, g-діоксі-b-диметилмасляна кислота і b-аланін:
Вітамін є маслянистою рідиною ясно-жовтого кольору, добре розчинною у воді, оптично активною, нестійкою до дії кислот або лугів (гідролізується) і до високих температур.
Природні джерела і потреба. Вітамін синтезується всіма рослинами, дріжджовими клітинами, багатьма мікробами, у тому числі і тими, що мешкають в передшлунках жуйних і кишках. Багаті вітаміном кормові дріжджі (20,0 мг на 100 г), печінка (7 мг на 100 г), яйця (6,3 мг на 100 г), внутрішні органи тварин (3 – 4 мг на 100 г), а також рисові висівки, картопля, морква. Добова потреба людини у пантотеновій кислоті становить 7 – 10 мг на добу і повністю задовольняється за рахунок харчових продуктів та синтезу її мікрофлорою кишок. Ягнятам і телятам на добу вимагається 6 – 20 мг вітаміну на голову, свиням – 12 – 15 мг/кг корму, с/г птахам – 2 – 8 мг/кг корму.
Обмін вітаміну B3 в організмі. Вітамін, що міститься в раціоні і синтезований мікрофлорою (головним чином кишковою паличкою), поступає після всмоктування в кровоносне русло і розноситься до всіх органів і тканин, депонується в печінці, частково – в нирках, міокарді і скелетних м’язах. В організмі вітамін в основному зв’язаний з білками (кров) і входить до складу KoA.
Пантотенова кислота і продукти її розпаду виводяться з організму з калом і сечею. Кількість виділеної з організму пантотенової кислоти завжди більша ніж поступила (за рахунок бактерійного синтезу вітаміну).
Значення вітаміну B3 для обміну речовин. Вітамін B3 є складовою частиною KoA, отриманого вперше в чистому вигляді Ф. Липманом (1945 р). KoA складається з трьох частин – залишку тіоламіна (1), залишку пантотенової кислоти (2) і залишку 3¢-фосфоаденозин-5¢-дифосфата (3):
KoA впливає на обмін речовин, бере участь у біосинтезі й окисленні ліпідів, вуглеводів, у функціонуванні циклу трикарбонових кислот, утворенні ацетилхоліну, порфіринів, глюкозаміна, гіпурової кислоти і т.д. KoA функціонує як проміжний акцептор і переносник ацилів, утворюючи відповідні ацил-КоА (ацетил-, бутирил-, сукциніл-, малоніл-КоА). При цьому відбувається їх активація, оскільки залишок карбонової кислоти зв’язується з SH-групою KoA макроергічним ацилтіоефірним зв’язком (–СО~S–KoA). Особливе значення має ацетил-КоА („активна оцтова кислота”). Це головний продукт проміжного обміну ліпідів, вуглеводів і білків. Це основне „паливо” для циклу трикарбонових кислот та сировина для біосинтезу багатьох сполук.
Антивітаміни. Вони найчастіше представлені структурними аналогами вітаміну B3 (пантоїлтаурин, пантоїлпропаноламін, w-метилпантотенова кислота та ін.). Антивітаміни блокують утворення молекул KoA. Сульфопантотенова кислота використовується як бактерицидний препарат.
Застосування вітаміну B3. Пантотенат кальцію використовується при лікуванні поліневритів, екземи, опіків, атонії харчового каналу та ін.
Вітамін В5 (PP). Відкриття вітаміну В5 (нікотинаміду) пов’язано з вивченням природи хвороби пелагри. Хвороба відома з XVIII століття в країнах, де основним продуктом живлення була кукурудза (Іспанія, Італія та ін.). Лише К. Функ в 1914 р. встановив, що причиною хвороби є відсутність якогось вітаміну. Ним виявилася нікотинова кислота і її амід.
Гіпо- і авітамінози. При недостатньому надходженні до організму людини або при білковому голодуванні виникає захворювання, яке дістало назву „пелагра”. Для неї характерними є три групи симптомів: дерматит, діарея і деменція. У зв’язку з чим вона дістала назву хвороби „трьох Д”.
Дерматит виявляється в тому, що шкіра на відкритих ділянках тіла червоніє, стає шорсткою, покривається пухирцями, які лопаються, утворюючи виразки, темно-коричневі плями. Особливо уражаються кисті рук, шия, шкіра обличчя. Зміна шкірного покриву досить характерна для пелагри, однак це спостерігається не у всіх хворих.
Друга група симптомів пелагри – порушення функцій органів травлення (діарея). При цьому спостерігається запалення слизових оболонок ротової порожнини, язик стає червоним, блискучим, з’являються тріщини. В процесі травлення зменшується вміст соляної кислоти в шлунку, виникають поноси, нудота і, як наслідок, виснаження організму.
Третя група симптомів, яка виникає в особливо важких випадках, – розлад діяльності нервової системи, втрата пам’яті, марення, недоумство (деменція). Пелагра може протікати в хронічній рецидивуючій формі протягом кількох років. Загострення хвороби найчастіше спостерігається на початку весни і затухає влітку і восени.
Серед тварин гіпо- і авітамінози найчастіше зустрічаються у поросят, молодих собак, курчат, індичат і качат. Вони розвиваються при недостатній кількості вітаміну, білків і триптофана в кормах, при тривалому годуванні тварин зерном кукурудзи або кукурудзяним силосом, вареною картоплею і недостатній кількості зелених кормів у раціоні. Порушується структура і функції шкіри (вона стає зморшкуватою, потовщеною, утворюються струпи), з’являються розлади з боку харчового каналу (понос), нервово-м’язового апарату (судоми), погіршується апетит, сповільнюється і зупиняється ріст і різко знижується рівень продуктивності. Виникають атрофічні явища в тканинах шкіри, м’язів, кісток, печінки, залоз внутрішньої секреції, кишок (на слизовій оболонці сліпої і ободової кишок з’являється сирний наліт), розвивається анемія. У собак слизова оболонка язика темніє („чорний язик”). У свиней з’являються дерматити на вухах, у птахів уражаються суглоби, знижується продуктивність, наступає масова загибель, особливо молодняка.
Гіпервітамінози. Виявляються при надлишку в організмі вітаміну В5. Призводять до ушкодження нервової системи і епітеліальних покривів.
Хімічна будова і властивості. Вітамін PP представлений двома хімічними сполуками – нікотиновою кислотою та її амідом. Нікотинова кислота в організмі легко перетворюється на амід за участю АТФ:
Їх хімічна назва – 3-піридинкарбонова кислота і нікотинамід. Нікотинова кислота і її амід – кристалічні безбарвні речовини, розчиняються у воді і етанолі, стійкі до високих температур.
Природні джерела і потреба. Вітамін широко поширений у природі, частково синтезується мікрофлорою харчового каналу за наявності в раціоні достатньої кількості триптофана. Багаті вітаміном дріжджі (28 – 112 мг на 100 г), печінка (22 мг на 100 г), м’ясо (2,7 – 6,8 мг на 100 г), гречка (4,4 мг на 100 г). Невелика кількість міститься у пшеничних висівках, рибному і м’ясокістковому борошні, зерні вівса і гороху, сіні конюшини і люцерни.
Потреба дорослої людини у вітаміні В5 становить 15 – 25 мг на добу для дітей – 5 – 15 мг на добу залежно від віку.
Потреба тварин у вітаміні різна. Коням рекомендується давати 0,1 мг вітаміну на 1 кг сухої маси корму, телятам – 0,3 – 0,5, ягнятам – 0,1 – 0,6, свиням – 10, поросятам – 12 – 20, птахам – 8 мг/кг.
Обмін вітаміну В5 в організмі. Всмоктування вітаміну екзо- і ендогенного походження відбувається в тонкій кишці, частково в інших відділах харчового каналу. У всеїдних і м’ясоїдних організмах з нікотинової кислоти в тканинах утворюється нікотинамід, який використовується для біосинтезу ферментів і інших потреб. Вітамін і продукти його розкладання виділяються в основному з сечею, менше – з калом і потом. У жуйних тварин вітамін використовується тканинами у вигляді нікотинової кислоти, а її надлишок виділяється з сечею у вільному або зв’язаному стані.
Значення вітаміну В5 для обміну речовин. Нікотинамід є складовою частиною багатьох ферментів, що беруть участь в процесах біологічного окислення. В молекулу ферментів входить у вигляді коферментів – нікотинамідаденіндинуклеотида (НАД) і нікотинамідаденіндинуклеотидфосфата (НАДФ). Молекула НАД містить залишок аденіна, амід нікотинової кислоти, два залишки рибози і два залишки фосфорної кислоти:
НАДФ відрізняється від НАД наявністю в положенні 2¢ рибози залишку фосфорної кислоти.
У більшості хімічних реакцій НАД або НАДФ як коферменти приєднують протон і два електрони від субстрата, що окислюється, і передають їх іншим переносникам дихального ланцюга або транспортують від відновленого кофермента до субстрата. Окислені форми коферментів позначаються НАД і НАДФ, відновлені – НАД∙H2 і НАДФ∙H2. Проте, коли бажано підкреслити утворення водневого іона при відновленні кофермента, застосовують позначення НАД∙Н+H+ і НАДФ∙Н+Н+. При використанні цього способу позначення окислену форму обов’язково слід писати так: НАД+ і НАДФ+.
У тканинах міститься в 5 – 10 разів більше НАД, ніж НАДФ. НАД – складова частина багатьох ферментів гліколізу, циклу трикарбонових кислот, b-окислення жирних кислот та ін. До ферментів, що містять НАДФ, відносяться дегідрогеназа ізолимонної кислоти, дегідрогенази глюкозо-6-фосфата і 6-фосфоглюконової кислоти та ін. Відновлені форми НАД і НАДФ є донаторами водню для різних синтезів в клітинах і тканинах. НАД і НАДФ неміцно зв’язані з білками дегідрогеназ, тому вони легко здійснюють функції переносника.
Під впливом нікотинової кислоти відбуваються значні зміни показників білкового обміну. Зокрема, при недостатній кількості вітаміну В5 на фоні зниження загальної кількості білків зменшується вміст альбумінів з одночасним збільшенням глобулінових фракцій.
Загальновизнаною є також нормалізуюча дія вітаміну В5 на вміст холестерину, водно-мінеральний обмін, функціонування нервової і серцево-судинної систем.
Антивітаміни. Існує декілька антивітамінів. Особливе місце серед них займають:
Застосування вітаміну В5. Застосовується з профілактичною і лікувальною метою. Нікотинамід застосовують при лікуванні пелагри у людини, свиней, собак і птахів, ахіліях шлунку (відсутність соляної кислоти в шлунковому соку), гепатитах, нефриті та ін.
Вітамін В6. Вітамін B6 (піридоксин) об’єднує три сполуки: піридоксин, піридоксаль і піридоксамін. Відкриття вітаміну було пов’язано із з’ясуванням причин „щурячої пелагри” – захворювання, яке не виліковувалося після додавання в корм вітаміну PP. Вітамін B6 був виділений з дріжджів і рисових висівок.
Гіпо- і авітамінози. Спостерігаються найчастіше у тварин з однокамерним шлунком – свиней, собак, курей, голубів і лабораторних ссавців (щурів, мишей). При цьому виникають дерматити, з’являються епілептичні судоми, гальмується діяльність червоного кісткового мозку, затримується і припиняється ріст і розвиток. У свиней і собак переважає ушкодження нервової системи. У свиней в крові вміст гемоглобіну зменшується на 30%, вміст заліза збільшується в 6 разів (до 600 мкг на 100 г). У щурів виникає симетричний дерматит (акроденія) із враженням кінцівок, кінчиків вух і носа. У курчат підвищується збудливість, вони починають вищипувати і поїдати власне пір’я, у дорослих птахів з’являються пухлини м’язового шлунку, судоми.
Гіпервітамінози. Вітамін В6 не токсичний, інколи може спостерігатися побічна дія (диспепсичні явища).
Хімічна будова і властивості. Під терміном вітамін B6 розуміють три близькі речовини – похідні піридину, які можуть взаємно перетворюватися одна в одну:
Піридоксин – кристалічна речовина білого кольору, добре розчиняється у воді і етанолі, температура плавлення 160°C, стійка до дії кислот, лугів і до нагрівання, руйнується під впливом ультрафіолетового проміння, розчин флуоресціює.
Природні джерела і потреба. Вітамін в основному поступає в організм з їжею. Деяка кількість піридоксина синтезується мікрофлорою харчового каналу. Вітаміном багаті риба, жовток яйця, дріжджі, пшеничні і рисові висівки, зелені частини рослин, соняшниковий шрот (11,2 мг/кг сухої речовини).
Добова потреба людини в піридоксині орієнтовно становить 1,5 – 2 мг. Така кількість вітаміну може бути забезпечена бактеріальним синтезом. Потреба тварин у вітаміні вивчена мало. В раціон свиней рекомендується додавати 1 мг вітаміну на 1 кг корму, курчат і індичат – 3, качат і гусят –2,6, племінних курей і качок – 4,5 мг/кг.
Обмін вітаміну B6 в організмі. В основному вітамін поступає в організм у складі продуктів харчування. Частина вітаміну, зв’язана з білками, всмоктується слизовою оболонкою харчового каналу після ферментативного гідролізу білків. З током крові вітамін поступає в печінку, а потім до інших органів, де використовується для біосинтезу піридоксалевих ферментів та інших цілей. Вільний вітамін фосфорилується під впливом ферменту піридоксалькінази, утворюючи фосфати:
З організму вітамін виводиться в основному з сечею. З метаболітів піридоксина, що виявляються в сечі, 4-піридоксилова кислота складає 20 – 40%.
Значення вітаміну B6 для обміну речовин. Вітамін у вигляді фосфатів входить до складу ферментів, що беруть участь в дезамінуванні, переамінуванні і декарбоксилуванні амінокислот (три, мет, цис), в перенесенні сірки з метіоніна на серин, в утворенні адреналіну і норадреналіну, серотоніна і гістаміну. Вітамін як кофермент входить до складу молекул багатьох рацемаз, бере участь в обміні триптофана і тирозина та ін. Піридоксаль-5-фосфат бере участь у створенні третинної структури фосфорилази.
Значення вітаміну B6 в структурі і діяльності піридоксалевих ферментів детально було розшифровано на прикладі реакцій переамінування. На першій стадії амінокислота взаємодіє з піридоксальфосфатом, утворюючи ізометини I і II (Шиффові основи). В їх молекулі відбувається зсув електронів по напряму від a-вуглецевого атома амінокислоти до атома азоту піридоксальфосфата, що призводить до поляризації і розриву зв’язків біля a-вуглецевого атома амінокислоти. Обидві початкові речовини після взаємодії утворюють азометин I, який перетворюється в азометин II. Азометин II гідролізується, утворюється кетокислота (III) і піридоксамінофосфат (IV), який може віддавати свою аміногрупу відповідній кетокислоті. В результаті синтезується потрібна амінокислота і відновлюється в колишньому вигляді вітамін:
Антивітаміни. Антивітамінами піридоксина є 4-дезоксипіридоксин (2,4-диметил-3-оксі-5-оксіметилпіридин), 2-метил-3-аміно-4,5-оксіметилпіридин та ін.:
Застосування вітаміну B6. Препарат вітаміну B6 піридоксин гідрохлорид застосовується при лікуванні гепатитів, дерматитів, екземи, нефриту, невритів та інших хвороб.
Вітамін Bc. Вітамін Вс (фолієва кислота) вперше був виділений з листя шпинату. Широко поширений в рослинному світі. Його називають також птероїлглутаміновою кислотою.
Гіпо- і авітамінози. При недостатній кількості фолієвої кислоти порушуються кровотворні процеси, насамперед, еритро-, лейко- і тромбопоез. Виникають розлади функції кишок, спостерігаються зміни слизових оболонок ротової порожнини (стоматит, глосит, гінгівіт). Характерною ознакою дефіциту фолієвої кислоти є розвиток різних видів анемій – макроцитарної (тропічної), спру та анемії Аддісон-Бірмера. Останній вид виникає в результаті відсутності ферментів, які перетворюють зв’язану фолієву кислоту у вільну. Авітамінози найчастіше виникають при порушенні процесів всмоктування в тонкій кишці.
Хімічна будова і властивості. Молекула вітаміну складається з трьох компонентів: похідного птеридина (I), n-амінобензойної (II) і глутамінової (III) кислот:
Залежно від кількості залишків глутамінової кислоти, що входять до молекули вітаміну, розрізняють моно-, три- і гептапохідні: птероїлмоно-, птероїлтри- і птероїлгептаглутамінові кислоти.
У харчових продуктах фолієва кислота перебуває у зв’язаному неактивному стані. Перетворення її в біологічно активну форму проходить у процесі перетравлювання їжі під впливом специфічних ферментів панкреатичного соку. Внаслідок дії ферментів проходить відновлення фолієвої кислоти чотирма атомами водню, в результаті чого утворюється тетрагідрофолієва, або фолінова, кислота, активна форма фолієвої кислоти, яка дістала назву цитроворум-фактор:
Цитроворум-фактор у 100 разів активніший за фолієву кислоту. Вважають, що його утворення стимулюється вітаміном В12 і аскорбіновою кислотою.
Фолієва кислота – жовта кристалічна речовина, погано розчинна у воді і легко розчинна в лугах. При нагріванні до 250°C розкладається. Без смаку і запаху. Під впливом сонячного світла (особливо за наявності рибофлавіну) гідролізується по метиленовому містку на птеридин і n-амінобензоїлглутамінову кислоту.
Природні джерела і потреба. Вітамін синтезується в листі рослин, клітинах дріжджів і мікрофлорою харчового каналу. Ним багаті пивні дріжджі (11,35 мг/кг), печінка, люцернова мука, соєвий шрот, картопля.
Людина і тварини задовольняють потребу у вітаміні за рахунок бактерійного синтезу. Добова потреба людини становить 0,2 – 0,3 мг, тварин 0,5 – 2,1 мг/кг корму.
Обмін вітаміну Вс в організмі. Вітамін всмоктується в дванадцятипалій кишці у вигляді харчових фолатів. Потім поступає в кровоносне русло, депонується в печінці. З 7–12 мг фолатів організму людини 5–7 мг міститься в печінці. Близько 60% фолатів крові зв’язані з білками сироватки. З організму фолати виводяться з сечею, калом і частково з потом. 25–33% фолатів сечі представлено N5-метилтетрагідрофолатом.
Значення вітаміну Вс для обміну речовин. Фолієва кислота є коферментом багатьох ферментів, що каталізують в основному три типи реакцій – формілування, оксиметилювання і утворення активних метильних груп. Ферменти, що містять відновлену форму вітаміну (тетрагідрофолієву кислоту), активують C1-залишок (–CОН, –CH3, –CH2OH), беруть участь в біосинтезі амінокислот (метіоніна, серина, гістидина), структурних компонентів нуклеїнових кислот (аденіна, гуаніна, тиміна) і біосинтезі білків, холіна, утворенні ферментних систем, що містять НАД і ФАД, а разом з вітаміном B12 – в процесах кровотворення.
Є також дані, що дефіцит фолієвої кислоти призводить до порушення утилізації організмом вітаміну В12.
Антивітаміни. Існує ряд антагоністів вітаміну. Найбільший інтерес представляють аміноптерин і аметоптерин – конкуруючі інгібітори біосинтезу пуринових і піримідинових основ в тканинах злоякісних пухлин:
Механізм їх дії пов’язаний з блокуванням включення метильного залишку в піримідинове ядро тиміна. В ракових клітинах не синтезується ДНК, зменшується здатність до біосинтезу АТФ і білка.
Застосування вітаміну Вс. Вітамін застосовується при лікуванні макроцитарних анемій, хронічних гастроентеритів, туберкульозу кишечника та ін.
Вітамін B12. Вітамін В12 (ціанкобаламін) назвали антианемічним, оскільки він оберігає організм від злоякісної анемії. В 1929 р. було встановлено, що хвороба виникає в результаті відсутності в організмі двох чинників – зовнішнього і внутрішнього. В 1948 р. з тканин печінки був виділений перший з них, його назвали вітаміном B12, або кобаламіном. Другий чинник – мукопротеїн – міститься в шлунковому соку.
Гіпо- і авітамінози. Недостатня кількість вітаміну В12 в організмі призводить до порушення кровотворення в червоному кістковому мозку. Виникає мегалобластичний тип кровотворення, розвивається анемія Аддісон-Бірмера. У тварин при цьому затримується ріст, різко зменшується приріст, продуктивність, виникає понос, блювота, підвищена сприйнятливість до захворювань, висока ембріональна смертність, парез і параліч кінцівок. В кровоносній системі з’являються незрілі і дуже великі еритроцити, в шлунку атрофується слизова оболонка, уражається нервова система.
Причиною цих явищ є недостатня кількість або відсутність в кормах вітаміну, шлунково-кишкові захворювання, при яких порушується асиміляція кормового вітаміну, його всмоктування і біосинтез, мікробами.
Гіпервітамінози. Вітамін В12 не токсичний і ознак гіпервітамінозів не проявляє.
Хімічна будова і властивості. Вітаміну B12 – досить складна органічна сполука:
Це єдиний металовмісний вітамін, до складу якого входить кобальт. Молекула вітаміну В12 складається з двох частин – кобальтвмісної, коринопорфіриноподібної, або хромофорної, і нуклеотидної. В центрі хромофорної частини знаходиться атом кобальту, одна валентність якого насичена ціаногрупою, а друга – сполучена з атомом азоту пірольного ядра. Атоми азоту інших трьох пірольних кілець (B, C, D) зв’язані з кобальтом координаційними зв’язками. Ядра пірола містять вісім метильних груп, три залишки пропіонової кислоти і три залишки оцтової кислоти. Карбоксильні групи амідовані. Нуклеотидна частина вітаміну утворена 5,6-диметилбензімідазолом, залишком рибози і фосфорної кислоти. Вона зв’язана ковалентно з хромофорною частиною (через ядро D) і координаційно – з атомом кобальту.
У молекулі вітаміну В12 негативний заряд фосфорної кислоти компенсується позитивним зарядом атома кобальту. Вважають, що специфічні властивості вітаміну В12 визначаються хромофорною частиною його молекули, і навіть незначні структурні зміни її призводять до втрати вітамінної активності або надають йому антивітамінних властивостей. Відомі аналоги вітаміну В12, які утворюються при заміні ціаногрупи іншим угрупованням. Так, при заміні його на гідроксогрупу утворюється гідроксокобаламін, на нітрогрупу – нітрокобаламін. Аналоги вітаміну В12, в яких ціаногрупа заміщена аденозином, виконують роль кобаламідних коферментів. Відомо також близько 100 аналогів вітаміну В12, які відрізняються структурою нуклеотидною частини молекули.
Вітамін B12 – кристалічна речовина, рубіново-червоного кольору, добре розчиняється у воді, етанолі, не розчиняється в бензолі, хлороформі і діетиловому ефірі, без запаху і смаку, руйнується під дією сонячного світла і високих температур, окислювачів і відновників.
Природні джерела і потреба. За наявності достатньої кількості кобальту в раціоні вітамін частково синтезується мікробами (особливо пропіоновокислими бактеріями і актиноміцетами), харчового каналу. Багато вітаміну містять продукти тваринного походження печінка (50 мг на 100 г), нирки (50 мг на 100 г). Рослини і тканини тварин не здатні синтезувати вітамін.
У промислових масштабах вітамін В12 добувають з культуральної рідини і міцелію актиноміцетів – відходів виробництва антибіотиків (біоміцину, стрептоміцину). Для стимуляції синтезу вітаміну В12 до середовища додають кобальт.
Добова потреба людини у вітаміні В12 становить 0,8 – 0,1 мг. Потреба тварин у вітаміні B12 різна. Так, для поросят середня добова потреба у вітаміні складає 20 мкг на 1 кг сухого корму, телят – 10–40, дорослих свиней – 11, місячних курчат – 20, курей – 2 мкг/кг.
Обмін вітаміну B12 в організмі. Вітамін всмоктується в нижній частині тонкої і верхній частині клубової кишок. Перед всмоктуванням вітамін з’єднується з внутрішнім чинником, утворюючи комплекс. Унаслідок активного перенесення цей комплекс поступає в ендоплазму епітеліальних клітин кишок. Надалі він розщеплюється на вітамін В12 і внутрішній чинник. Перший поступає в кровоносну систему ворсинки, другий повертається назад, де взаємодіє з новими порціями вітаміну.
Вважають, що в розвитку перниціозної анемії відіграють важливу роль як внутрішні, так і зовнішні фактори. Вітамін В12 вважається зовнішнім, антианемічним фактором (фактором Кастла), оскільки засвоєння його залежить від функціонального стану органів травлення і наявності в травних соках внутрішнього антианемічного фактора (внутрішнього фактора Кастла).
Внутрішній фактор Кастла виділяється клітинами дна шлунка. Це речовина білкової природи – гастромукопротеїд, який дістав назву апоеритину. Апоеритин утворює комплекс з кобаламіном і таким чином захищає його від мікроорганізмів кишок, які можуть захоплювати і використовувати вітамін В12 для своїх потреб. Встановлено, що для засвоєння 1,5 мг вітаміну В12 необхідно 80 мг апоеритину. Комплекс вітаміну B12 з апоеритином у кишках зв’язується зі спеціальними акцепторами, які транспортують його в капілярні судини, де він взаємодіє зі специфічними білками плазми – транскобаламіном I (відноситься до a-глобулінів) і транскобаламіном II (має b-глобулінову природу). У такому вигляді вітамін транспортується спочатку в печінку (частина його там депонується та може зберігатися протягом 2 – 3 міс.), а потім до інших органів і тканин, де використовується для біосинтезу багатьох ферментів, до складу молекул яких він входить як кофермент, а також для інших потреб.
У хворих на анемію Аддісон-Бірмера вітамін В12 засвоюється лише при парентеральному введенні, коли він потрапляє безпосередньо в кров, або при одночасному пероральному введенні вітаміну В12 та апоеритину. Це пояснюється тим, що в шлунковому сокові хворих апоеритин відсутній, тому навіть при введенні вітаміну В12 перорально він захоплюється мікрофлорою кишок, яка використовує його для свого росту.
Вважають, що функція апоеритииу полягає не лише в збереженні вітаміну В12 від захоплення мікрофлорою верхньої частини кишок, для яких він є життєво необхідним, а й в забезпеченні всмоктування його епітеліальними клітинами кишок. Крім того, припускають, що внутрішній фактор виділяє вітамін В12 із його зв’язаних форм у продуктах харчування.
В організмі вітамін мало змінюється, його надлишок виділяється з сечею і калом.
Значення вітаміну B12 для обміну речовин. Вітамін B12 впливає на обмін речовин – біосинтез нуклеїнових кислот, білків, перетворення вуглеводів, сприяє накопиченню жиру, відновленню SH-груп KoA, активує каротиназу і забезпечує утворення в організмі вітаміну А з каротинів, утворення макроергів, сприяє ресинтезу метіоніна, утворенню адреналіну і норадреналіну, креатину й інших біологічно важливих сполук. Метилкобаламін бере участь в біосинтезі метіоніна, оцтової кислоти і метану. 5'-Дезоксиаденозильне похідне вітаміну служить коферментом ферментів, за допомогою яких відбувається перетворення глутамінової кислоти в аспарагінову і ферментів, що каталізують утворення дезоксицитидин-5-дифосфата з цитидин-5-трифосфата та ін.
Вплив вітаміну В12 на еритропоез тісно пов’язаний з іншими вітамінами групи В, зокрема з фолієвою кислотою. Він сприяє перетворенню фолієвої кислоти на фолінову – активну форму, яка забезпечує процеси гемопоезу. При відсутності фолієвої кислоти вітамін В12 не виявляє гемопоетичного ефекту. Однак роль вітаміну ВІ2 не обмежується лише участю його в кровотворних процесах.
Позитивно впливає вітамін В12 також на функціональний стан багатьох залоз внутрішньої секреції – нормалізує гіперглікемічну криву, виявляє позитивний вплив при тиреотоксикозах. Встановлено, що вітамін В12 стимулює відновні процеси при різних травмах, пошкодженнях периферичної нервової системи, спинного мозку, серцево-судинних захворюваннях.
Антивітаміни вивчені недостатньо.
Застосування вітаміну В12. Вітамін застосовують при лікуванні анемій, гепатитів, хірургічних втручаннях, хворобах нервової системи, в онкологічній практиці і т.д.
Вітамін H. Вітамін H (біотин) відомий з кінця минулого століття як чинник росту бактерій і дріжджів.
Гіпо- і авітамінози. При недостатній кількості або відсутності вітаміну виникають гіпо- і авітамінози, особливо у курчат і індичат, можуть виникати у свиней і хутрових звірів при годуванні їх яєчним білком. До складу яєчного білка входить білок авідин, який інактивує біотин, утворюючи з ним комплексну сполуку. У тварин зменшується апетит, знижується маса, виникає загальна слабкість, з’являється гіперемія шкіри і лусковий дерматит, сальні залози починають активно функціонувати і з’являється себорея (вітамін ще називають антисеборейним), навкруги очей формуються набряклі ободи („окуляри”), набрякають кінцівки, випадає шерсть (у птахів – пір’я). У птахів спостерігається також деформація кісток і висока ембріональна смертність.
Хімічна будова і властивості. Молекулу вітаміну слід розглядати як похідне тіофена, до якого приєднаний залишок сечовини і валеріанової кислоти:
Біотин – кристалічна безбарвна речовина з температурою плавлення 232 – 233°C, добре розчиняється у воді, гірше – в етанолі, стійка до дії сонячного проміння, лугів, кислот, нагрівання. Хімічно активна його –CООH група може взаємодіяти з багатьма сполуками.
Природні джерела і потреба. Біотином багаті пивні дріжджі (1000 – 1600 мкг/кг), печінка (0,1 мг на 100 г), молоко (0,05 мг/л), соя (0,06 мг на 100 г), арахісовий і соєвий шроти, зерно ячменю, вівса і кукурудзи. У людини і тварин частково синтезується мікрофлорою кишок.
Середня добова потреба в біотині для людини складає 10 мкг, курчат складає 100 мкг/кг корму, індичат – 250, курей – 150, поросят масою до 20 кг – 80 мкг/кг корму.
Обмін вітаміну H в організмі. Екзогенний біотин в основному знаходиться у зв’язаному з білками стані. Зв’язаний біотин гідролізується ферментом біогінідазою до біотину і білка. Всмоктування екзогенного і синтезованого мікрофлорою біотину відбувається в краніальній ділянці тонкої кишки. У крові біотин зв’язується з сироватковими альбумінами і у такому вигляді поступає до різних органів і тканин. Депонується в тканинах печінки, нирок і наднирників. Надлишок вітаміну виводиться з організму з сечею і частково з калом.
Значення вітаміну H для обміну речовин. Біотин є складовою частиною багатьох ферментів, що беруть участь в біосинтезі білків (наприклад, сироваткового альбуміну і амілази), карбоксилуванні і декарбоксилуванні жирних кислот, утворенні багатьох видів ліпідів і пуринів, перетвореннях пірувата в оксалоацетат, пропіоната – в 2-метилмалоніл-КоА (реакція особливо важлива для жуйних), в синтезі сечовини та ін. Найбільш детально вивчено участь біотину в біосинтезі вищих жирних кислот.
Антивітаміни. Основними антагоністами біотину є білок авідин курячого білка і декілька структурних аналогів.
Застосування вітаміну H. Препарати біотину застосовуються при лікуванні дерматитів, екземи, деяких видів анемій.
Вітамін С. Відкриття вітаміну С (аскорбінової кислоти) пов’язано із з’ясуванням природи цинги – захворювання, викликаного відсутністю в раціоні свіжих овочів і фруктів. А. Сент-Дьєрдьї в 1927–1928 рр. отримав речовину з кори наднирників, соку апельсину і капусти. Згодом вона була названа „аскорбіновою кислотою”.
Гіпо- і авітамінози. Вітамін С відіграє в організмі надзвичайно важливу роль. Оскільки він в організмі людини не синтезується, то необхідне постійне надходження його з продуктами харчування.
При нестачі або тривалій відсутності вітаміну С виникають гіпо- та авітамінози. Розвиваються вони найчастіше в зимовий або ранній весняний період, коли вміст вітаміну в харчових продуктах значно знижується. Тривала відсутність вітаміну протягом 3 – 5 міс. призводить до розвитку захворювання, що дістало назву цинги, або скорбуту. Явно вираженій формі захворювання передує прихований період з непомітними симптомами, які можуть тривати кілька місяців. Це загальне нездужання, головний біль, постійне відчуття втоми, млявість, порушення сну, апатія, біль у різних ділянках тіла, особливо в м’язах нижніх кінцівок.
Найхарактернішою ознакою цинги є ураження кровоносних судин, особливо капілярів, яке супроводжується ламкістю їх стінок і підвищенням проникності. Зміни в капілярах призводять до виникнення підшкірних точкових крововиливів (петехій). Спостерігаються також зміни в кістковій та інших мезенхімальних тканинах (хрящах, сухожиллях, дентині зубів), що зумовлено значним зменшенням вмісту колагену. Спостерігається ураження ясен – гінгівіт, що призводить до їх розрихлення, оголення і розхитування зубів, кровоточивості ясен.
Усі ці зміни виникають внаслідок порушення синтезу основної міжклітинної речовини сполучної тканини, яка за нормальних умов цементує ендотеліальні клітини. При захворюванні на цингу порушується також діяльність серцево-судинної системи – спостерігаються прискорене серцебиття, болі в області серця, зниження артеріального тиску.
Зміни з боку травного каналу характеризуються катаральним станом слизової оболонки шлунку і кишок, змінюються секреторна і моторна функції шлунку, виникає дискінезія кишок.
При авітамінозі у тварин спостерігаються кровоточивість ясен, слизових оболонок і м'язів. У телят спостерігаються явища некрозу, у дорослої великої рогатої худоби – швидка стомлюваність, анемія, прискорення пульсу і дихання, у корів в молоці з’являється кров. У молодняка поросят виникає анемія, сповільнюється ріст, з’являються крововиливи шкіри і слизових оболонок, гіперкератоз, кон’юнктивіти, іноді – виникає некроз хвоста, випадає щетина. У дорослих свиней виникають геморагії і з’являється плямисте почервоніння на слизовій оболонці рота, особливо ясен, некротичний стоматит, опухають суглоби, наступає різке виснаження і смерть. У хутрових звірів виникають підшкірні крововиливи, стоматити, анемія, набряки лапок і хвоста (кінчик хвоста іноді відпадає), парези і паралічі, що приводять до загибелі, особливо молодняка. У лисенят хутро стає ватоподібним, сірувато-білим і м’яким.
Хімічна будова і властивості. Вітамін С – похідне L-гулонової кислоти (2,3-ендіол-L-гулоно-1,4-лактон):
Встановлено, що антискорбутні властивості аскорбінової кислоти обумовлені наявністю в складі її молекули лактонового циклу. В дослідах з використанням 14С-аскорбату було виявлено досить виражені редукуючі властивості аскорбінової кислоти. Причому здатність окислюватись і відновлюватись за рахунок інших сполук пов’язана з наявністю в її складі діенольного угрупування. Окислення аскорбінової кислоти може здійснюватися як ферментативно (аскорбіноксидаза), так і неферментативно (кисень повітря, іони Cu2+, Fe2+).
Першим продуктом оксислення аскорбінової кислоти є дегідроаскорбінова кислота (2,3-дикетогулонолактон). Дегідроаскорбінова кислота залежно від умов може легко відновлюватися в аскорбінову кислоту або ж піддаватися подальшому окисленню, внаслідок чого вона перетворюється на дикетогулонову кислоту. Остання при наступному окисленні перетворюється на L-треонову і щавлеву кислоти, які видаляються з організму через нирки. Розщеплення дегідроаскорбінової кислоти проходить спонтанно без участі ферментів.
Дегідроаскорбінова кислота за вітамінними властивостями рівноцінна аскорбіновій, однак вона менш стійка і дуже легко окислюється з утворенням продуктів, які не мають вітамінних властивостей.
Вітамін С – біла кристалічна речовина з кислим смаком, добре розчиняється у воді, гірше – в етанолі, не розчиняється в жирах і діетиловому ефірі, оптично активна, температура плавлення » 190 – 192°C. Вітамін С має сильні відновні властивості: відновлює нітрат срібла, Фелінгову рідину. При нагріванні швидко розкладається.
Природні джерела і потреба. Головними джерелами є зелені частини рослин, овочі і фрукти. В плодах шипшини міститься (2000 – 4500 мг на 100 г), в чорній смородині – (300 мг на 100 г), червоному перці (100 – 400 мг на 100 г), хвої ялини і сосни (взимку) (220 – 275 мг на 100 г), капусті (30 – 70 мг на 100 г). З продуктів тваринного походження вітаміну С найбільше міститься в печінці (32 мг на 100 г), молоці (14 мг на 100 г).
Добувають аскорбінову кислоту в основному синтезом з глюкози та її похідного – спирту сорбіту. Важливе значення має також мікробіологічний синтез із застосуванням оцтовокислих бактерій. Виділення аскорбінової кислоти з природних джерел (шипшини, болгарського перцю, зелених грецьких горіхів) має другорядне значення.
Добова потреба дорослої людини у вітаміні С становить 50 – 70 мг.
Обмін вітаміну С в організмі. Вітамін всмоктується в основному в тонкій кишці. Всмоктування відбувається швидко. З потоком крові поступає в печінку, а потім до інших органів і тканин. Найбільше вітаміну міститься в тканинах наднирників. Засвоєння екзогенного вітаміну порушується при шлунково-кишкових захворюваннях, а біосинтез його в організмі (морські свинки) зменшується при хворобах наднирників, гепатитах, нефриті. Аскорбінова кислота поступає в клітини у вигляді дегідроаскорбінової кислоти. В клітинах (наприклад, в еритроцитах) дегідроаскорбінова кислота швидко відновлюється. Основна маса вітаміну зв’язана, переважно з білками, у комплексі Гольджі і мітохондріях. При окисленні аскорбінова кислота перетворюється в дегідроаскорбінову, дегідроаскорбінова – в дикетогулонову кислоту, а при розпаді дикетогулонової утворюється щавлева кислота:
Частина дикетогулонової кислоти декарбоксилується, що призводить до утворення ксилози, яка використовується для біосинтезу інших пентоз (рибози і дезоксирибози) або глюкози. Деяка кількість аскорбінової кислоти виводиться з організму з сечею.
Значення вітаміну С для обміну речовин. Вітамін бере участь в багатьох реакціях проміжного обміну. Він є донатором і акцептором протонів і електронів. Процес протікає з участю ферментів або іонів металів, хінонів, гомохромогенів. Вітамін бере участь в обміні багатьох сполук:
Вітамін С бере участь у відновленні дисульфідних зв’язків в молекулах білка і, перш за все, ферментів. Є складовою частиною активного центру ферменту, який прискорює гідроліз окремих тіоглікозидів. При недостатній кількості або відсутності в раціоні вітаміну С порушується перехід преколагена в колаген, що призводить до збільшення порозності кровоносних судин і до кровотеч. Порушується біосинтез колагену і гіалуронової кислоти. Виникають типові цинготні зміни скелета. Сповільнюється регенерація всіх тканин, оскільки затримується перетворення проліна в оксипролін. Сповільнюється біосинтез гормонів наднирників, дентину, процесів зсідання крові, гальмується діяльність багатьох ферментів.
Важлива роль вітаміну С у вуглеводному обміні. Позитивно впливає на еритропоез і на утворення гемоглобіну, підвищення реактивності організму та зміцнення його захисних механізмів, сприяє виробленню антитіл, підвищує фагоцитарну активність лейкоцитів, посилюючи опірність організму хворобам. Вітамін С називають ще антиінфекційним вітаміном.
Антивітаміни. Антагоністом вітаміну С є його структурний аналог – глюкоаскорбінова кислота:
Застосування вітаміну С. Вітамін С застосовуються для підвищення опірності організму до захворювань, при лікуванні цинги, анемій, геморагічного діатезу, хірургічних втручаннях, для усунення інтоксикацій різного походження та ін.
Вітамін P. Вітамін P (біофлавоноїди, рутин, катехіни) – група речовин, які зміцнюють стінки капілярів. До них відносяться сполуки, що обумовлюють забарвлення рослин, – флавонони. Вітамін був відкритий А. Сент-Дьєрдьї як чинник стійкості капілярів. До вітаміну P віднесений рутин, близький за властивостями до флавононів.
Гіпо- і авітамінози. При недостатній кількості або відсутності вітаміну в раціоні людини та тварин з’являються крововиливи на шкірі, м’язах, суглобах і внутрішніх органах у вигляді крапок або петехій. Препарат вітаміну С не усуває ці явища. Капіляри стають крихкими і лопаються. Швидко виникає стомлюваність і загальна слабкість, з’являються болі в області суглобів і раптові кровотечі.
Гіпервітамінози. Вітамін Р не токсичний і ознак гіпервітамінозу не проявляє.
Хімічна будова і властивості. Вітамін P об’єднує дві групи речовин – флавонони (еридиктіол, гесперидин, кверцетин і рутин) та катехіни (a-епікатехін):
Еридиктіол – безбарвна кристалічна речовина, кристали мають форму листочків, добре розчиняються у воді і етанолі, має температуру плавлення 267°C.
Гесперидин – жовта кристалічна речовина, кристали мають вид листочків, гігроскопічні, слабо розчиняється у воді, краще – в етанолі, має температуру плавлення 224 – 226°C.
Кверцетин – лимонно-жовта кристалічна речовина, кристали голкоподібні, слабо розчиняється в гарячій воді і етанолі, має температуру плавлення 316 – 317°C.
Рутин – яскраво-жовта кристалічна речовина, голкоподібні кристали, погано розчиняється у воді, краще – в етанолі, має температуру плавлення – 180 – 190°C.
Катехіни (препарат вітаміну Р з чайного листя) – аморфні порошки сірувато-зеленого кольору, гіркі на смак, розчинні у воді та спирті.
Природні джерела і потреба. Вітаміном багаті плоди цитрусових, особливо їх шкірка (до 500 мг на 100 г). Високим вмістом рутина відрізняється листя гречки. Багато вітаміну P містить шкірка чорної смородини (до 500 мг на 100 г) і шипшини (240 – 680 мг на 100 г), виноград (290 – 430 мг на 100 г), морква (50 – 100 мг на 100 г).
Добова потреба людини у вітаміні точно не встановлена, вважають, що вона коливається в межах 50 – 60 мг. Точні норми вітаміну P для тварин також не встановлені.
Обмін вітаміну P в організмі. Розщеплювання і всмоктування екзогенного вітаміну відбувається в тонкій кишці в умовах лужного гідролізу. Після надходження в кровоносне русло вітамін використовується органами, тканинами і клітинами для різних реакцій обміну речовин. Вважається, що в тканинах біофлавоноїди після виконання своєї ролі розщеплюються на складові частини. Використання мічених атомів показало, що флороглюцинове ядро майже повністю окислюється до CO2 і H2O. Деяка кількість вітаміну виділяється з сечею.
Значення вітаміну P для обміну речовин. Вітамін бере участь в багатьох окисно-відновних реакціях. Одні автори вважають, що вітамін впливає на судинну систему через залози внутрішньої секреції, інші – через деякі ферментні системи і клітинне дихання. Вітамін оберігає адреналін від окислення, а адреналін стимулює діяльність гіпофіза (біосинтез АКТГ). Оскільки АКТГ впливає на біосинтез кортикостероїдів, а вони, в свою чергу, посилюють міцність капілярів. Вітамін P є інгібітором ферменту гіалуронідази, що дозволяє тканинам зберігати потрібну кількість гіалуронової кислоти, особливо в капілярній стінці. Недостатня кількість в тканинах вітаміну P викликає підвищення активності даного ферменту, що і призводить до розривів капілярів. Існує біохімічна кореляція дії вітамінів P і С. Мабуть, обидва вітаміни утворюють єдину систему в перенесенні протонів і електронів.
Крім капілярозміцнюючої дії вітамін Р виявляє протизапальну й антиалергійну дію, сприяє розширенню судин, знижує тонус непосмугованої м’язової тканини бронхів і кишок.
Антивітаміни. Антиметаболіти вітаміну P вивчені недостатньо.
Застосування вітаміну P. Препарати вітаміну застосовуються як засіб профілактики і лікування кровотеч. Використовуються при лікуванні поліартритів і ревматизму, променевої хвороби і хірургічних втручаннях.
Вітаміноподібні речовини
Інозит. Інозит (мезоінозит) широко поширений в тваринному і рослинному світі. Необхідний людині і багатьом тваринам.
Гіпо- і авітамінози. У людини при недостатній кількості речовини виникають розлади нервової системи, знижується перистальтика кишечнику. У тварин припиняється ріст, виникають специфічні дерматити, наступає облисіння, припиняється ріст шерсті, у птахів – пір’я.
Хімічна будова і властивості. Вітамінною активністю володіє мезоінозит (1, 2, 3, 4, 5, 6-циклогексанол). Інозит – тверда кристалічна речовина, солодка на смак, добре розчиняється у воді і не розчиняється в органічних розчинниках, температура плавлення гідрата – 218°C, ангідриду – 225 – 227°C:
Природні джерела і потреба. Інозит широко поширений у живій природі. Найбільше інозиту міститься в зародках пшениці (700 – 900 мг на 100 г), апельсинах, зеленому горошку, тваринні продукти – телятина, курятина, риба, яйця, молоко – містять мало інозиту (11 – 50 мг на 100 г). Добова потреба для мавп і людини складає 0,5 – 1,5 г.
Обмін вітаміну в організмі. Організм тварин одержує екзо- і ендогенний інозит. У продуктах тваринного походження він знаходиться в зв’язаній формі, в рослинних – у вигляді фітину. Всмоктується в основному в тонкій кишці. З потоком крові поступає до органів і тканин. Використовується для різних потреб. У крові міститься 0,37 – 0,76 мг% інозиту. Інозитом багатий міокард (60 – 200 мг%) і мозок (200 мг%). Частина інозиту знаходиться у складі ліпідів (інозитфосфатиди). При обміні інозит перетворюється на глюкуронову кислоту з подальшими її змінами або виділяється з сечею.
Значення інозиту для обміну речовин. Механізм участі інозиту в реакціях обміну речовин не завжди зрозумілий. Перш за все, інозит є необхідною складовою частиною клітинних мембран. Він володіє ліпотропною дією, запобігаючи ожирінню печінки. Інозит знижує збудливість центральної нервової системи, підвищує перистальтику кишечника, підтримує на постійному рівні осмотичний тиск в сперматозоїдах, прискорює b-окислення жирних кислот, активує амілази, сприяє перетворенню урацила в тимін, впливає на процеси росту та ін.
Антивітаміни. Антагоністом інозиту є гексахлорциклогексан.
Застосування інозиту. Препарати інозиту застосовуються при лікуванні гепатитів, нервових хвороб, жирової інфільтрації печінки та стимуляції кровотворення.
Вітамін B13. Вітамін B13 (оротова кислота) був виділений з молозива як речовина, що володіє вітамінними властивостями. Пізніше його віднесли до вітамінів, необхідних для тварин і мікробів. В порядку черговості відкриття вітамінів групи В він став називатися вітаміном B13.
Гіпо- і авітамінози. При недостатній кількості або відсутності вітаміну сповільнюється і припиняється ріст і розвиток тварин і багатьох мікробів.
Хімічна будова і властивості. Вітамін B13 є похідним піримідина:
Це безбарвна кристалічна речовина, розчиняється в гарячій воді і лугах, має температуру плавлення 345 – 346°C (з розкладанням), з лугами утворює солі.
Природні джерела і потреба. Вітаміном багаті дріжджі (2670 мкг/г), печінка, коров’яче і овече молоко. Потреба людини і тварин в оротовій кислоті вивчена недостатньо.
Обмін вітаміну B13 в організмі. В організм вітамін В13 поступає разом з кормами і синтезується в тканинах мікрофлорою. Всмоктування вітаміну відбувається в тонкій кишці. Використовується тканинами для синтезу піримідинових нуклеотидів та ін. Надлишок вітаміну і продукти його перетворення виділяються з сечею, калом, потом, повітрям, що видихається.
Значення вітаміну B13 для обміну речовин. У птахів і ссавців оротова кислота синтезується з аспарагінової кислоти і карбамоїлфосфата і є джерелом піримідинових основ:
Аспарагінова кислота + Карбамілфосфат ® Уреїдоянтарна кислота ® Дигідрооротова кислота ® Оротова кислота ® Оротидин-5-фосфат ® Уридин-5-моно, ди і трифосфат ® Цитидин
Оротова кислота використовується для синтезу піримідинових нуклеотидів і далі – нуклеїнових кислот. Сприяє утворенню жиру з глюкози, синтезу лактози, служить активатором ксантиноксидази, бере участь в обміні одновуглецевих сполук. При недостатній кількості вітаміну B12 вона відновлює активність глюкозо-6-фосфатази і бетаїнгомоцистеїнметилтрансферази, вітаміну B3 і KoA в печінці.
Антивітаміни вивчені недостатньо.
Застосування вітаміну В13. Препарати оротової кислоти використовуються для стимуляції еритропоеза після крововтрат, при лікуванні захворювань печінки, міокарду, нирок та ін.
Вітамін B15. Вітамін B15 (пангамова кислота) спочатку був відкритий в тканинах печінки. Пізніше його виявили в багатьох продуктах рослинного і тваринного походження.
Гіпо- і авітамінози. При недостатній кількості або відсутності в кормах вітаміну наступає кисневе голодування тканин і жирове переродження печінки.
Хімічна будова і властивості. Пангамова кислота є складним ефіром D-глюконової кислоти і алкільованої амінооцтової кислоти. Її назва – N, N-диметилгліцил-6-глюконова кислота:
Вітамін В15 – кристалічна речовина, білого кольору, з жовтим відтінком і характерним запахом, розчиняється у воді, не розчиняється в органічних розчинниках, гігроскопічна.
Природні джерела і потреба. Вітаміном багаті дріжджі, рис, печінка, кров. Потреба тварин у вітаміні не з’ясована.
Обмін вітаміну B15 в організмі. Питання обміну вітаміну в достатній мірі не були вивчені.
Значення вітаміну B15 для обміну речовин. Пангамова кислота бере активну участь в різних реакціях обміну речовин. Механізм багатьох з них поки не розшифровано. Зокрема, вона бере участь в процесах клітинного дихання, активує перенесення кисню, служить джерелом і переносником метильних груп, підвищує активність піруватдегідрогенази і СДГ, сприяє утворенню АТФ і креатинфосфата, впливає на функції наднирників і активує гексокіназну систему, покращує перебіг процесів біосинтезу білків, нуклеїнових кислот, глікогену.
Застосування вітаміну В15. Препарати вітаміну застосовують при лікуванні хронічних гепатитів, цирозу печінки, емфіземи легень, коронаросклероза, пневмосклероза, дерматитів.
Холін. Холін був виділений з жовчі і жовтка курячого яйця. На його вітамінні властивості звернув увагу О.Я. Данилевський у 1891 р., який відзначив, що лецитин – така ж необхідна основна речовина, як і білки, а молекула лецитину містить залишок холіна. Після встановлення властивості холіна запобігати ожирінню печінки він був віднесений до вітамінів групи В.
Гіпо- і авітамінози. Недостатня кількість або відсутність в раціоні холіна призводить до жирового переродження печінки і відкладення жиру в клітинах різних тканин, особливо нирок. Розвиваються парези і паралічі, падає рівень продуктивності, зменшується синтез протромбіна, у птахів розвивається перозис, деформуються кістки, особливо плюсни, знижується яйценоскість.
Хімічна будова і властивості. Холін є гідроксидом триметил-b-оксіетиламонія:
Холін – сироподібна рідина, добре розчиняється у воді, володіє основними властивостями – утворює солі з кислотами. Як кормову добавку застосовують холінхлорид – кристалічну речовину, розчинну у воді.
Природні джерела і потреба. Високим вмістом холіна відрізняються жовток яйця (1700 мг на 100 г), печінка (630 мг на 100 г), м’ясо різної риби (300 – 400 мг на 100 г), шпинат (230 мг на 100 г), сушена картопля (140 мг на 100 г), рис (80 мг на 100 г), насіння бобів, кормові дріжджі, зерно вівса. Добова потреба в холіні для людини пов’язана зі складом харчового раціону.
Обмін холіна в організмі. Екзогенний холін поступає в харчовий канал у вільному і зв’язаному стані. Зв’язаний холін в організмі піддається звичайним перетворенням. Частина холіну в організмі синтезується. Основою молекули є серин, з якого після декарбоксилування утворюється етаноламін. Метильні групи в молекулу етаноламіна вводяться шляхом трансметилування. Донаторами метильних груп є метіонін, фолієва кислота і вітамін B12. У більшості випадків власний біосинтез не задовольняє потреб організму і потребує екзогенного холіна. Надлишок холіна виводиться з організму з сечею, калом, потом.
Значення холіна для обміну речовин. Холін служить основою для біосинтезу мембранних ліпідів, лецитинів і медіатора нервового збудження – ацетилхоліна. Донатор метильних груп при біосинтезі адреналіна, креатина і метіоніна. Ліпотропний чинник, бере участь в обміні жирів між печінкою і жировою тканиною. З жиру і холіна в печінці утворюються лецитини, при їх наявності забезпечується постійний відтік жирових речовин з печінки в загальне кровоносне русло, що запобігає надмірному відкладенню жиру. Ці процеси протікають головним чином в мітохондріях гепатоцитів.
Антивітаміни. Основним антагоністом холіна є триетилхолін. Він, з’єднуючись з ацетил-КоА, утворює псевдомедіатор – ацетилтриетилхолін.
Застосування холіна. Використовують при захворюваннях печінки.
Вітамін Вт. Вітамін Bт (карнітин) був виділений з м’язового екстракту як речовина, що проявляє вітамінні властивості.
Гіпо- і авітамінози. Вітамін необхідний для розвитку багатьох комах, особливо для личинок печінкового сисуна. За відсутності вітаміну комахи і їх личинки гинуть. У хребетних тварин ці явища не виражені.
Хімічна будова і властивості. Карнітин – b-оксі-g-триметиламіномасляна кислота:
Карнітин – безбарвна кристалічна речовина, розчиняється у воді і етанолі, має температуру плавлення 195–197°C (з розкладанням), володіє вираженими основними властивостями, хімічно активна.
Природні джерела і потреба. Карнітином багата м’язова тканина (20 – 50%), дріжджі, тканини печінки. Потреба тварин у вітаміні не вивчена.
Обмін вітаміну Вт в організмі. Карнітин утворюється в тканинах із глутамінової кислоти. Під впливом певних ферментних систем ця кислота декарбоксилується, потім метилюється і, нарешті, гідроксилується. Деталі проміжного і кінцевого обміну її не вивчені.
Значення вітаміну Bт для обміну речовин. Карнітин бере участь в ліпідному обміні, виконуючи функції переносника залишків жирних кислот через мембрани мітохондрій. Карнітин (К) під впливом специфічних ферментів взаємодіє з ацил-КоА, утворюючи ацил-К. У такому вигляді ацили поступають всередину мітохондрій, після чого карнітин повертається в гіалоплазму, а вони піддаються різним перетворенням і, в першу чергу, окисленню з утворенням хімічної енергії. Транспортування схематично виглядає так:
К + Ацил-КоА « Ацил-К + КоА;
Ацил-К « Ацил + К.
Беручи участь в транспортуванні жирних кислот через мембрани мітохондрій в гіалоплазму, карнітин сприяє синтезу жирних кислот. Швидкість цієї реакції залежить від вмісту в клітині цитрата – активатора ацил-КоА: карнітинацилтрансферази. Карнітин служить донатором метильних груп при біосинтезі холіна.
Антивітаміни. Антагоністи карнітина вивчені недостатньо.
Застосування вітаміну Вт. Препарати карнітина використовуються при лікуванні хвороб печінки та ін.
Вітамін U. Вітамін U (S-метилметіонінсульфоній хлорид) був відкритий як додатковий чинник живлення, запобігав розвитку виразки шлунку і дванадцятипалої кишки.
Гіпо- і авітамінози. При гіпо- і авітамінозах у людини і тварин розвиваються виразки шлунку і дванадцятипалої кишки.
Хімічна будова і властивості. Вітамін U – похідне метіоніна:
Практично використовують його сіль – S-метилметіонінсульфоній хлорид:
Ця тверда речовина, білого кольору, солодкувато-солонувата на смак, із запахом капусти, розчиняється у воді, оптично активна.
Природні джерела і потреба. Найбільше вітаміну міститься у пагонах спаржі (100 – 150 мг на 100 г), листі капусти і томатах. Ним багаті ріпа, цибуля, морква. Потреба людини і тварин у вітаміні вивчена недостатньо.
Обмін вітаміну U в організмі. Вітамін всмоктується в тонкій кишці. З током крові потрапляє в печінку, частково використовується її тканинами, а потім розноситься по всьому організму і включається в реакції обміну речовин. Надлишок вітаміну виділяється з сечею, потом і калом.
Значення вітаміну U для обміну речовин. Значення вітаміну в окремих реакціях обміну речовин вивчено недостатньо. Відомо, що вітамін є донатором метильних груп для біосинтезу холіна і креатину, метилює гістамін, перетворюючи його в неактивний метилгістамин (в цьому полягає болезаспокійлива дія вітаміну). Вітамін затримує відкладення холестерину на стінках кровоносних судин і сприяє видаленню його надлишку з організму, позитивно впливає на регенерацію епітелію слизової оболонки шлунку і дванадцятипалої кишки, уражених виразками.
Антивітаміни. Антагоністи вітаміну вивчені недостатньо.
Застосування вітаміну U. Вітамін використовують для лікування виразок, гастритів та ін.
n-Амінобензойна кислота (ПАБК). n-Амінобензойна кислота проявляє вітамінні властивості для деяких мікроорганізмів.
Гіпо- і авітамінози. За відсутності ПАБК в поживному середовищі мікроби, які потребують цієї речовини, гинуть. У ссавців сповільнюється ріст і наступає депігментація волосся та шерстного покриву.
Хімічна будова і властивості. ПАБК є похідним бензолу:
За фізичними властивостями ПАБК – це біла або злегка жовта кристалічна речовина без запаху, погано розчиняється у воді (1:170), добре – в етанолі, володіє властивостями амфіліта.
Природні джерела і потреба. Вітамін міститься в багатьох рослинних і тваринних тканинах, мікробах. Багаті ним дріжджі (0,4 мг на 100 г), зародки пшениці, картопля.
Обмін ПАБК а організмі. ПАБК раціону всмоктується в основному в тонкій кишці. Тут же частина ПАБК використовується мікрофлорою для синтезу фолієвої кислоти. З током крові вона потрапляє в печінку, потім до інших органів і тканин (в крові міститься 2 – 70 мкг ПАБК на 100 мл). Надлишок ПАБК виводиться з сечею.
Значення ПАБК для обміну речовин. Дія ПАБК на реакції обміну речовин багатогранна. Перш за все вона входить до складу фолієвої і фолінової кислот, отже, бере участь в біосинтезі ДНК і РНК. Впливає на обмін біогенних амінів, на перетворення тирозина в меланін.
Антивітаміни. Конкурентами ПАБК є n-аміносульфонова кислота і сульфаніламід (білий стрептоцид):
Вони витісняють ПАБК з молекул ферментів, що призводить до гальмування реакцій обміну і загибелі відповідних мікроорганізмів.
Застосування ПАБК. ПАБК використовується при лікуванні атеросклерозу, для відновлення пігментації волосся.
Лекція № 7. Ферменти.
Коротка історія вчення про ферменти
Ферменти (ензими) – це біологічні каталізатори білкової природи, які утворюються в живих клітинах і володіють здатністю прискорювати хімічні процеси в організмі. І.П. Павлов назвав ферменти істинними двигунами всіх життєвих процесів.
Історія біохімії в значній мірі є історією вивчення ферментів. Розвиток вчення про ферменти можна умовно розбити на декілька етапів. Перший етап охоплює період до XVII ст. і характеризується використанням ферментів в практичній діяльності людини (випічка хліба, виготовлення вин, різних сортів сиру, шкіри та ін.).
Другий етап включає період з XVII ст. до середини XIX ст. і зв’язаний з іменем Я.Б. ван Гельмонта, який вивчав бродіння цукристих речовин. Я.Б. ван Гельмонт запропонував і ввів у науку термін ферменти (від лат. fermentum – закваска). В 1814 р. російський вчений К. Кірхгоф у солоді відкрив амілазу, під впливом якої крохмаль перетворюється на мальтозу. В 1836 р. T. Шванн у шлунковому соку виявив пепсин. У 1862 р. О.Я. Данилевський з соку підшлункової залози виділив амілазу, ліпазу і трипсин. Ним і його учнями встановлена оборотність перебігу ферментативних реакцій.
Третій етап починається з другої половини XIX ст. і продовжується до 30-х років XX ст. У другій половині XIX ст. ферменти почали цікавити технологів і клініцистів. Виникла суперечка між Л. Пастером і Ю. Лібіхом відносно природи ферментів. Л. Пастер всі ферменти розділив на „організовані” і „неорганізовані”. До перших він відніс ферменти, які діють на субстрати в живих клітинах (наприклад, ферменти дріжджів, що викликають спиртне бродіння). До других були віднесені ферменти, які проявляли свою дію зовні клітин, які утворили їх (наприклад, пепсин в порожнині шлунку). Ю. Лібіх вважав, що всі ферменти можуть проявляти свою каталітичну дію як у середині клітин так і зовні них. Суперечка була вирішена російським лікарем M.M. Манасеїною в 1871 р. Вона отримала дріжджовий сік, який зброджує вуглеводи так само, як і дріжджові клітини. Досліди були підтверджені Е. Бухнером. Тим самим було доведено, що ферменти можуть функціонувати незалежно від клітинної структури.
Число відомих ферментів зростало. До кінця XIX ст. виникла необхідність в систематизації їх назв. Е. Дюкло запропонував при найменуванні ферментів до кореня слова, що означає субстрат, додавати суфікс –аза (наприклад, субстрат сахароза – фермент сахараза). Г. Бертран у 1897 р. виділив з молекул багатьох ферментів речовину, здатну до діалізу, кофермент, або коензим. С. Серенсен у 1909 р. прийшов до висновку, що активність будь-якого ферменту залежить від рН середовища. В цей час Е. Фішер створює перші уявлення про механізм дії ферментів і субстратів („ключ до замка”), А. Броун у 1902 р. приходить до висновку, що під час каталізу виникає фермент–субстратний комплекс. В. Анрі обґрунтовує цей висновок математично. Л. Міхаеліс і M. Ментан у 1913 р. створюють основи сучасної кінетики ферментативного каталізу.
Детально вивчається структура молекул ферментів. P. Вільштеттер встановлює одно- і двокомпонентні ферменти. В першому випадку молекула ферменту складається тільки з білка, в другому – з білкового носія – апофермента і небілкової групи – кофермента. Апоферменти і кофермент разом складають холофермент, або активний фермент. Дж. Самнер у 1926 р. виділяє перший фермент в кристалічному вигляді – уреазу. Його роботи успішно продовжує Д.X. Нортроп, який у 1930 р. виділяє кристалічний пепсин, у 1931 р. – трипсин та інші ферменти. З того часу починається четвертий етап в розвитку ферментології.
У ці роки вивчається структура молекул коферментів і реакції їх з’єднання з білковими носіями. О. Варбург і його учні вивчають структуру молекул дихальних ферментів, НАД і ФАД. Досліджується різноманіття функцій ферментів і деталі будови їх молекул. В.О. Енгельгардт і M.М. Любімова в 1939 р. встановлюють, що багато структурних білків (наприклад, міозин) можуть виконувати ферментативні функції. До 50 років XX ст. ферментологія стала одним з розділів біохімії. В цей час встановлено участь у ферментативних реакціях, як коферментів, багатьох вітамінів. У 1955 р. С. Очоа зі співробітниками здійснив синтез РНК під впливом ферменту полінуклеотидфосфорилази. В 1958 р. А. Корнберг виділив полімеразу, під впливом якої синтезується ДНК.
Сучасний етап в розвитку ферментології характеризується одним з блискучих досягнень учених-ферментологів – встановленням структури панкреатичної рибонуклеази (К. Хірс, С. Мур, В. Стейн, 1960). У 1976 р. X.Г. Корана синтезує ген з 196 нуклеотидів. За образним виразом В.Л. Кретовича, всі ці відкриття в області ферментології підвели завісу над найпотаємнішими таємницями живої матерії і розкривають блискучі перспективи для подальшого розвитку науки і застосування її досягнень на практиці.
Біосинтез і клітинна локалізація ферментів
Ферменти за хімічною природою є простими або складними білками. Для їх утворення відповідні клітини повинні містити амінокислоти та інші речовини, з яких утворюються простетичні групи або коферменти.
Біосинтез молекули ферменту відбувається в кожній клітині, тканині, органі і складається з тих же етапів, що і біосинтез звичайного білка:
Перші два етапи є типовими матричними процесами. Третій етап – це типовий синтез білкової молекули. На четвертому етапі формується молекула активного ферменту. Якщо фермент є складним білком, то відбувається з’єднання апофермента з коферментом. Молекула ферменту набуває типової структури (вторинна, третинна і четвертна), яка енергетично вигідна для здійснення каталітичних функцій. Деякі ферменти спочатку перебувають в неактивному стані і лише після дії активаторів стають активними.
Біосинтез ферментів в організмі протікає безперервно. Найбільш інтенсивно утворюються ферменти в періоди росту і розвитку організму. Окремі органи синтезують значну частину ферментів, до них слід віднести залози (слинні, шлункові, кишкові, підшлункову), ферменти яких беруть участь в гідролітичному розщепленні поживних речовин. Порушення якісного і кількісного складу ферментів призводить до патології, оскільки для кожного органу, тканини і клітини характерний свій „набір” ферментів. Цей набір визначається видом і віком, ступенем функціонального навантаження і статтю організму.
Для ферментів характерна певна клітинна локалізація. Так, в ядрі, в основному, зосереджені ферменти, які впливають на обмін нуклеїнових кислот (5¢-нуклеотидаза, аденозиндезаміназа, НАД-пірофосфорилаза, оротидин-5¢-фосфат-пірофосфорилаза, глюкозо-1-фосфат-уридилтрансфераза та ін.). В ядерній мембрані містяться ферменти, які беруть участь у транспортуванні окремих сполук і енергії (ацетилестераза, АТФ-аза, цитохромоксидаза, глутаматдегідрогеназа, НАД∙Н2-Цитохром-с-редуктаза та ін.). Ферменти клітинного дихання розміщені переважно в мітохондріях (піруватдегідрогеназа, глутаматдегідрогеназа, ферменти окислення жирних кислот та ін.). Лізосоми містять ферменти, що каталізують в основному розщеплення багатьох речовин (катепсин С, пептидгідролази, естерази, сульфатази, кислі ДНК- і РНК-ази, гіалуронатліазу та ін.). Ферменти біосинтезу білка переважно концентруються в рибосомах (аміноацил-тРНК-синтетази, пептидсинтетази та ін.). У гіалоплазмі виявляються ферменти різної функціональної спрямованості: гліколізу, синтезу жирних кислот, активації амінокислот т.д.
Наявність і кількісний вміст індивідуального ферменту в клітині і її мікроструктурах залежать від багатьох чинників – функціонального значення клітини, виду, віку організму.
Методи виділення і очищення ферментів
Вихідним матеріалом для отримання різних ферментів найчастіше служать органи і тканини тварин і рослин, травні соки, а також клітинна маса мікроорганізмів. Підбираючи матеріал, слід враховувати вид тварини. Зокрема, вміст b-глюкозидази в тканинах шести видів тварин може різко відрізнятися. Травні ферменти від тварин одержують фістульним методом І.П. Павлова. Часто для отримання ферментів використовують бактерійні маси, вирощені на певному середовищі. Так, при індукованому синтезі вміст кислої фосфатази в масі кишкової палички можна збільшити до 6% і більше.
Молекули ферментів зазвичай зв’язані із структурними білками, ліпідами і вуглеводами, які входять до складу органоїдів і клітинних мембран. Частина молекул ферментів знаходиться в біологічних рідинах у вільному стані. Щоб виділити ферменти, слід зруйнувати клітини, перевести ферменти в розчин і потім екстрагувати.
Матеріал, призначений для отримання ферментів, звільняють від домішок (органи – від сполучнотканинної капсули, жиру, крові та ін.). Свіжий матеріал зазвичай зберігають при низьких температурах (–20°С). Матеріал подрібнюють в гомогенізаторах, ультразвуком, за допомогою аутоліза, лізису, розтирання в ступці з піском і т.д. Іноді клітинні мембрани руйнують, обробляючи матеріал ацетоном (одержують безводний порошок, зручний для зберігання і екстракції). Для отримання ферментів з певних субклітинних структур матеріал гомогенізують і фракційно центрифугують. До окремих фракцій додають детергенти, наприклад „Твіни”. Під їх впливом руйнуються мембрани субклітинних структур і ферменти переходять в розчин. Для отримання екстрактів як розчинники використовують дистильовану воду, буферні розчини, фізіологічний розчин, суміш гліцерину і дистильованої води, органічні розчинники.
Очищення ферментів зазвичай є чергуванням різних методів фракціонування. Зокрема, більшість ферментів можна очистити, застосовуючи такі методи.
1. Фракціонування за допомогою органічних розчинників: ацетону, етанолу та ін.
2. Фракціонування з використанням адсорбції і елюції. Як адсорбенти застосовують гелі гідроксида алюмінію, ортофосфата кальцію, як елютанти – воду, буферні розчини і інші розчинники.
3. Фракціонування з різними концентраціями нейтральних солей, найчастіше – сульфату амонія.
4. Розділення ферментів за допомогою хроматографічної колонки.
5. Виділення ферментів з сумішей методом електрофореза на крохмальному гелі або на папері.
6. Отримання ферментів з розчинів методом кристалізації і перекристалізації.
Отримані ферменти перевіряють на чистоту. Для цього визначають константу седиментації, електрофоретичну рухливість при декількох значеннях рН, чистоту ферментативного препарату по кривій розчинності, досліджують імунологічні властивості препарату за допомогою антисироватки, а також вивчають електрофоретичні та хроматографічні властивості ферменту після дії трипсину.
Загальні властивості ферментів
Білкова природа ферментів. Білкова природа ферментів в даний час повністю встановлена. Всі ферменти є простими або складними білками. Наприклад, до простих білків відносяться. ферменти трипсин, уреаза й ін., до складних – каталаза, ферменти, що каталізують окисно-відновні процеси й ін. Усі ферменти добре розчиняються у воді, в розбавлених розчинах кислот, лугів, солей і деяких органічних розчинниках. Водні розчини ферментів проявляють типові ознаки ліофільних колоїдних систем. Для ферментів характерна висока молекулярна маса: від десятка тисяч до декількох мільйонів. Понад 400 ферментів отримано в кристалічному вигляді (рис. 1). Всі вони амфотерні і володіють високою хімічною активністю.
Термолабільність і температурний оптимум дії ферментів. Ферменти – термолабільні сполуки. При дії високих температур вони денатуруються, що призводить спочатку до зменшення, а потім і до припинення каталітичних функцій. Температурний оптимум дії більшості ферментів тварин знаходиться в межах температури тіла – 37 – 40°С. Виключенням є папаїн, найбільша активність каталітичної дії якого виявляється при 80°С, і каталаза, температурний оптимум дії якої лежить між 0 і 10°С. При підвищенні температури середовища на 10°С швидкість реакції зростає в 1,5 – 3 рази (правило ле Шательє) приблизно в межах від 0 до 25°С; потім поволі підвищується і після 40°С починає зменшуватися (рис. 2).
Рис. 1. Кристали фосфоенолпіруваткінази
При температурі 80 – 100°С ферменти втрачають свою каталітичну здатність, оскільки наступає денатурація білкової молекули. Ферменти в розчиненому стані більш чутливі до нагрівання, ніж в сухому. Відомі ферменти, які можуть короткочасно переносити температуру +100°С (аденілаткіназа). З пониженням температури швидкість ферментативних реакцій поступово зменшується, досягаючи мінімуму при 0°С. Деякі ферменти в сухому стані витримують охолоджування до –120–190°С. При поступовому підвищенні температури до +37°С їх активність відновлюється. Ця властивість використовується при зберіганні сперми для штучного запліднення тварин.
Рис. 2. Залежність швидкості ферментативної реакції від температури
Вплив реакції середовища на активність ферментів. Кожний фермент проявляє максимальну для нього каталітичну дію при певному значенні рН, яке називається рН-оптимумом. Так, для пепсину рН-оптимум рівний 1,5 – 2,5, катепсина – 4,5 – 5,0, карбоксилази – 4,8, уреази – 7,2 – 8,0, трипсину – 7,5 – 9,5 і т.д (табл 1).
Більшість ферментів проявляє максимальну каталітичну активність при рН = 7 (рис. 3). Зміни рН уповільнюють або припиняють дію ферментів.
Вплив рН на активність ферментів пояснюється структурою їх молекул. Молекула ферменту має один або декілька активних центрів, в яких сконцентровані функціональні групи білків (рис. 5).
Таблиця 1.
Оптимальні значення рН для деяких ферментів
(зa T.T. Березовим і Б.Ф. Коровкіним)
|
Фермент |
рН |
Фермент |
рН |
|
Пепсин |
1,5 – 2,5 |
Каталаза |
6,8 – 7,0 |
|
Катепсин В |
4,5 – 5,0 |
Уреаза |
7,0 – 7,2 |
|
Амілаза із солоду |
4,9 – 5,2 |
Панкреатична ліпаза |
7,0 – 8,5 |
|
Сахароза кишкова |
5,8 – 6,2 |
Трипсин |
7,5 – 8,5 |
|
Амілаза слини |
6,8 – 7,0 |
Аргіназа |
9,5 – 10,0 |
Рис. 3. Залежність активності ферментів від рН середовища
Ступінь їх іонізації залежить від рН середовища. Більш того, рН середовища впливає на ступінь іонізації субстратів, фермент-субстратного комплексу і продуктів реакції, структуру молекули ферменту. Все це разом і визначає каталітичну здатність ферменту в тій або іншій реакції. Прикладом може бути фермент РНК-аза, яка розщеплює молекулу РНК на мононуклеотиди. Молекула РНК-ази, особливо її активний центр, містить високий відсоток лізину. Аміногрупа, розміщена в e-положенні, зазвичай вільна і визначає активність ферменту. Її іонізація можлива в кислому середовищі, тому і оптимальне значення рН для РНК-ази буде дорівнювати 5,4 – 5,6. У лужному середовищі фермент не активний, оскільки іонізація аміногрупи в цих умовах неможлива.
Специфічність дії ферментів. Кожний фермент діє на певний субстрат або групу речовин, схожих за своєю будовою. Специфічність дії ферментів пояснюється подібністю просторових конфігурацій активного центру ферменту і субстрату, їх хімічною спорідненістю, що призводить до утворення фермент-субстратного комплексу і здійснення каталітичного процесу. Без специфічності ферментів був би неможливий впорядкований ланцюг реакцій обміну речовин.
Розрізняють індивідуальну (абсолютну і стереохімічну) і групову (абсолютну і відносну) специфічність ферментів. Ферменти, які каталізують лише одну реакцію і діють на один точно визначений субстрат, мають абсолютну індивідуальну специфічність. Абсолютною специфічністю володіє уреаза, яка розщеплює сечовину на аміак і вуглекислий газ:
Довгий час вважали, що сечовина є єдиним субстратом уреази. Однак зовсім недавно було доведено, що кристалічна уреаза може діяти також на окремі сполуки – похідні сечовини, зокрема на оксисечовину. Правда реакція гідролізу оксисечовини відбувається у 100 разів повільніше:
Стереохімічна абсолютна специфічність ферментів проявляється тоді, коли вони діють на оптично активні сполуки, або сполуки, для яких характерна цис- і транс-ізомерія. Прикладом стереохімічної специфічності є фумаратгідратаза. Вона каталізує приєднання води до фумарової кислоти, але не впливає на цис-ізомер – малеїнову кислоту:
Групова абсолютна специфічність характерна для ферментів, які діють на різні субстрати, що мають однаковий тип зв’язку. Прикладом абсолютної групової специфічності може бути дія пепсину на різні білки (прості і складні) тваринного, рослинного і мікробного походження. До ферментів з груповою специфічністю належать також естерази, які каталізують гідролітичне розщеплення зв’язку складноефірного типу:
Відносну групову специфічність проявляють лужна і кисла фосфатази, які каталізують гідроліз моноефірів ортофосфорної кислоти. Зустрічається подвійна специфічність, наприклад, ксантиноксидаза, яка специфічно окислює пуринові основи і неспецифічно – альдегіди. Іноді подвійна специфічність позначається на механізмі реакції між субстратом і ферментом. Так, ізоцитратдегідрогеназа залежно від умов викликає або декарбоксилування, або окислення ізоцитрата.
Активатори і інгібітори ферментів. На активність ферментів впливає багато речовин. Деякі з них підвищують активність ферментів, інші – гальмують. Перші речовини називають активаторами, другі – інгібіторами, або паралізаторами. Нерідко одні і ті ж речовини для одних ферментів можуть бути активаторами, для інших – інгібіторами. Так, соляна кислота є активатором для пепсину і інгібітором для амілази слини. Активність ферменту зменшується у міру збільшення концентрації продуктів, що утворюються в результаті хімічних реакцій та каталізуються даним ферментом.
Розрізняють специфічні і неспецифічні активатори і інгібітори. Прикладом специфічного активатора для пепсину є соляна кислота, для трипсину – ентеропептидаза. Під їх впливом від молекули попередника (пепсиногена і трипсиногена) відщеплюється пептид, відкривається активний центр і формується молекула ферменту. Пептиди, що відщепилися, можна розглядати як специфічні інгібітори. До типових специфічних активаторів слід віднести жовчні кислоти, що активують ліпазу. Типовими специфічними інгібіторами є антиферменти – антипепсин, антитрипсин та ін. Багато лікарських речовин відносяться до специфічних інгібіторів, оскільки вони, з’єднуючись з ферментами мікроорганізмів, блокують їх (білий стрептоцид і ферменти стрептокока).
До неспецифічних активаторів відносяться різні неорганічні катіони (табл. 2), рідше – аніони: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, СІ– та ін. Вплив катіонів на ферменти більш специфічний, ніж аніонів. Деякі іони для одних ферментів є активаторами, для інших – інгібіторами (наприклад, Ca2+ – активатор для лужної фосфатази і інгібітор для гліцил-лейцин-дипептидази). В активації або гальмуванні ферменту може брати участь один або декілька видів іонів.
До неспецифічних інгібіторів відносяться ферментні отрути (HCN, KCN, NaCN), іони важких металів, алкалоїдні реактиви, азиди, флуориди, сульфіди та ін. Інгібітори взаємодіють з активними центрами молекули ферменту, інактивуючи функціональні групи білків. Вони можуть взаємодіяти з металами, що входять до складу молекул ферментів і фермент-субстратних комплексів. Високі концентрації інгібіторів руйнують четвертну і третинну структуру молекули ферменту, викликаючи його денатурацію.
Таблиця 2.
Катіони металів, які активують деякі ферменти
(за T.T. Березовим і Б.Ф. Коровкіним)
|
Фермент |
Катіон металу |
Фермент |
Катіон металу |
|
Цитохроми |
Fe2+ |
Амілаза |
Са2+ |
|
Каталаза |
Fe2+ |
Ліпаза |
Ca2+ |
|
Пероксидаза |
Fe2+ |
Карбоангідраза |
Zn2+ |
|
Триптофаноксидаза |
Fe2+ |
Лактатдегідрогеназа |
Zn2+ |
|
Аскорбатоксидаза |
Cu2+ |
Уриказа |
Zn2+ |
|
Тирозиназа |
Cu2+ |
Карбоксипептидаза |
Zn2+ |
|
Фенолоксидаза |
Cu2+ |
Пептидази |
Mg2+ |
|
Ксантиноксидаза |
Mo2+ |
Фосфатази |
Mg2+ |
|
Нітратредуктаза |
Mo2+ |
Фосфоглюкокіназа |
Mg2+ |
|
Альдегідоксидаза |
Mo2+ |
Фосфоглюкомутаза |
Mn2+ |
|
Пептидази |
Co2+ |
Холінестераза |
Mn2+ |
Розрізняють оборотне і необоротне гальмування. Прикладом оборотного гальмування є дія антиферменту на фермент. Так, антипепсин, який інактивує, пепсин, в порожнині шлунку під впливом соляної кислоти стає неактивним, оскільки комплекс фермент-інгібітор в цих умовах дисоціює. Прикладом необоротного гальмування є дія ізопропіл-фторфосфату на ацетилхолінестеразу.
Розрізняють два типи активації і гальмування ферментів: алостеричне або просторове, і субстратне або конкурентне. За відсутності активатора між молекулою субстрата і молекулою ферменту немає тісного контакту і активність ферменту зведена до мінімуму (рис. 4, I). За наявності активатора він приєднується до молекули ферменту, змінюючи його конфігурацію так, що каталітичний центр зближується з субстратом і активність ферменту досягає максимальної величини (рис. 4, II). При алостеричному гальмуванні активний центр деформується і субстрат не може приєднатися до ферменту (рис. 4, III). При конкурентному гальмуванні місце субстрата в активному центрі займає аналог і фермент-субстратний комплекс не може виникнути (рис. 4, IV). Прикладом конкурентного гальмування є взаємодія СДГ з малоновою кислотою замість янтарної. Для витіснення конкурента слід збільшити концентрацію субстрата.
Рис. 4. Схема активації і гальмування дії ферменту: а – алостеричний центр ферменту; к – каталітичний центр ферменту; с – субстратний центр ферменту.
Висока каталітична здатність. Ферменти володіють високою каталітичною здатністю. Так, амілаза слини проявляє активність при розбавленні 1 : 1000000, пероксидаза – при розбавленні 1 : 5000000, пепсин – при розбавленні 1 : 10000000. Молекула каталази за 1 с розщеплює 550000 молекул H2O2.
Одиниці вимірювання активності ферментів. Характерною особливістю дії ферментів є їх висока каталітична активність. Вона значно вища, ніж неорганічних каталізаторів. Наприклад, пероксид водню розщеплюється на воду і кисень завдяки дії іонів заліза. Ця реакція каталізується також залізовмісним ферментом – каталазою. При цьому каталаза в 100 млн. разів швидше розщеплює пероксид водню, ніж іони заліза. Високу каталітичну активність, порівняно з каталізаторами небіологічного походження, мають і інші ферменти.
Активність ферментів характеризується швидкістю хімічних реакцій, які вони каталізують. Якщо за певний час фермент каталізує значну кількість хімічних перетворень, то вважають, що він має високу каталітичну активність. Часто її визначають за кількістю субстрату, який перетворюється за одиницю часу, або за кількістю продуктів реакції, які утворюються за цей час. Активність ферментів визначають також, виходячи із залежності, яка при певних умовах існує між активністю ферменту і його концентрацією.
У 1961 р. Комісія по ферментах Міжнародного біохімічного союзу рекомендувала використовувати стандартну одиницю ферментів.
За одиницю (E) будь-якого ферменту приймається така його кількість, яка каталізує перетворення одного мікромоля субстрата за хвилину.
Активність ферментів виражають в одиницях, які називаються каталами (скорочено кат.). Катал – це каталітична активність, яка здійснює хімічне перетворення 1 моль субстрату за 1 с. Один катал характеризує досить високу ферментативну активність, яка майже не зустрічається при звичайних умовах. Тому активність ферментів виражають у частках каталу, наприклад у мілікаталах (мл-кат. – одна тисячна частка каталу), в мікрокаталах (мк-кат. – одна мільйонна частка каталу) і т.д. Наприклад, у досліджуваній пробі ферментативна активність становить 2 мк-кат., тобто в пробі міститься така кількість ферменту, яка може здійснити перетворення 2 мкмоль субстрату за 1 с.
У деяких випадках важливо знати не тільки, яка активність даного розчину, що містить фермент, а й яка ферментативна активність саме білка, що знаходиться в розчині. З цією метою в досліджуваному розчині визначають вміст білка і після цього роблять перерахунки, яка ферментативна активність одиниці маси білка, наприклад, 1 мг. Число одиниць ферменту, яке припадає на 1 мг білка ферментного препарату, називається питомою активністю. Чим ретельніше очищений фермент, тим вища його питома активність.
Користуючись одиницями активності ферментів, можна досить точно співставити активність різних препаратів одного і того самого ферменту. Однак, коли є потреба порівняти між собою активність різних ферментів, то використовують таку міру активності ферментів, як молекулярна активність, її раніше називали числом оборотів ферменту.
Молекулярна активність – це кількість молекул субстрату, яка перетворюється за одну хвилину однією молекулою ферменту. Для різних ферментів молекулярна активність також різна (табл. 3).
Із даних таблиці видно, що перше місце за активністю займає карбоангідраза, яка за 1 хв перетворює 36 млн молекул субстрату (вугільної кислоти). Це найактивніший (із усіх нині відомих) фермент.
Якщо фермент має простетичну групу або каталітичний центр, концентрація яких доступна вимірюванню, то його каталітичну дію можна виразити у величинах активності каталітичного центру, тобто, числом молекул субстрата, які перетворюються за 1 хв одним каталітичним центром.
Таблиця 3.
Молекулярна активність деяких ферментів (за В.Й. Розенгартом)
|
Фермент |
Число молекул субстрату, що перетворюється однією молекулою ферменту за 1 хв |
|
Карбоангідраза |
36 000 000 |
|
Кетостероїдізомераза |
17 100 000 |
|
Амілаза |
1 100 000 |
|
Ацетилхолінестераза |
3 000 000 |
|
b-Галактозидаза E. соlі |
12 500 |
|
Фосфоглюкомутаза |
1 240 |
|
Сукцинатдегідрогеназа |
1 150 |
Оборотність дії ферментів. Ферменти здатні впливати на синтез субстрата і на його розпад. Так, пепсин при рН=0,5 – 2 розщеплює білки до поліпептидів, пептидів і амінокислот. При рН=5 – 6 з цих же амінокислот під впливом пепсину синтезуються білки. Значення оборотності дії ферментів велике. Воно дає можливість організму економно витрачати пластичні і енергетичні матеріали, клітинам і тканинам одержувати потрібні біологічні речовини залежно від потреб у певні періоди існування і функціонування. Так, в анаеробній фазі розщеплення вуглеводів глікоген або глюкоза розпадаються до молочної або піровиноградної кислот. Близько ⅔ цих кислот регенерується до глюкози і глікогену під впливом тих же ферментів, які здійснювали розпад.
Хімічна природа ферментів
Відомо, що ферменти мають білкову природу. Як і білки, їх ділять на прості і складні. Прості ферменти є однокомпонентними, а складні – дво- і багатокомпонентними.
Для ферментів-білків характерна будова, типова для цього класу сполук. Для ряду ферментів була визначена первинна, вторинна, третинна і четвертна структура молекули. Так, встановлена послідовність амінокислотних залишків в молекулі панкреатичної РНК-ази, лізоциму, хімотрипсина, аспартатамінотрансферази й ін. У більшості ферментів молекула складається з одного поліпептидного ланцюга, що має вигляд a- і b-спіралей. Вивчена третинна і четвертна структури ферментів. Третинна і четвертна структури ферменту визначають характер його функцій. Так, якщо молекула має 12 субодиниць, то фермент здійснює реакцію декарбоксилування (піруватдекарбоксилаза), шість субодиниць – фермент каталізує окисно-відновні перетворення пірувата та ін.
Молекули ферментів зазвичай мають великі розміри і складну просторову конфігурацію. Кожна частина молекули ферменту строго спеціалізована. Так, в молекулі ферменту є активний центр. Він є динамічним утворенням, що містить у собі оптимальне розміщення різних функціональних груп і угрупувань, які забезпечують акт каталізу. Молекули трипсину і карбоксипептидази мають по одному активному центру, гліцеральдегід-фосфат-дегідрогенази – 2, уреази – 3 – 4, холінестерази – 20 – 100. В активному каталітичному центрі виділяються спеціалізовані ділянки, що відповідають за зв’язок з субстратом – контактна, або „якірна” ділянка (рис. 5).
Периферійні частини молекули ферменту беруть участь в підтримці і формуванні просторової конфігурації активного центру, визначають внутрішньоклітинну локалізацію ферменту і його активних центрів, взаємостосунки з клітинними мембранами і органоїдами клітини та ін. У молекулі ферменту є ділянки, з якими можуть взаємодіяти інші речовини – алостеричні активатори або інгібітори, що змінюють просторову конфігурацію і каталітичну активність всього ферменту і його активних центрів.
Активний центр ферментів. Вивчення специфічності і каталітичної дії ферментів дало можливість встановити, що субстрат зв’язується не з усією молекулою ферменту, а з окремою її ділянкою, яка називається активним центром (рис. 5). Оскільки активний центр визначає специфічність і каталітичну активність ферменту, то він повинен складатися із структури певного ступеня складності, яка може зближуватися і взаємодіяти з молекулою субстрату.
Рис. 5. Схема молекули ферменту (за О.С. Хохловим і Ю.О. Овчинниковим)
У складних ферментах (протеїдах) активний центр утворений кофактором і залишками амінокислот; у простих ферментах (протеїнах) активний центр представлений певною комбінацією залишків амінокислот, які розміщені на відповідній ділянці молекули ферменту. До складу активного центру більшості простих ферментів входять залишки амінокислот цистеїна, серина, аргініна, аспарагінової і глутамінової кислот, гістидина, тирозина і триптофана. Серед них важливе значення мають групи HS (цистину), групи OH (серину), імідазольне кільце гістидину. Певну роль відіграють функціональні групи інших залишків амінокислот, зокрема карбоксильні групи аспарагінової і глутамінової кислот та індольна група триптофану. При цьому необхідно зауважити, що такі функціональні групи розміщені в поліпептидних ланцюгах ферменту на різній відстані одна від одної. Їх зближення з утворенням активного центру відбувається тільки внаслідок формування властивої для ферменту вторинної і третинної структур. Отже, активний центр ферменту складається із функціональних груп, які відповідно зорієнтовані у просторі. Порушення третинної і вторинної структур призводить до зниження або повної втрати активності ферменту. Це можна спостерігати при дії на ферменти високої температури, тобто коли відбувається їх денатурація, яка супроводжується деформацією структури білка.
Деякі ферменти мають два і більше активних центри. В активному центрі розрізняють так звану каталітичну ділянку, яка безпосередньо взаємодіє з субстратом, і контактну (якірну) ділянку, яка зумовлює спорідненість до субстрату, формування його комплексу з ферментом.
Такий поділ активного центру ферменту є досить умовним, оскільки взаємодія в контактній ділянці фермент-субстратних сполук значною мірою впливає на швидкість перетворень, які відбуваються на каталітичній ділянці ферменту. Умовний характер має також і саме відділення активного центру від інших частин ферменту, оскільки вони мають важливе значення в утворенні його нативної структури і впливають на реакційну здатність функціональних груп активного центру. Отже, за каталітичну активність ферменту відповідає вся структура його молекули.
В ході каталітичного акту відбувається своєрідна індукційна „підгонка” субстрата (іноді і інгібітору) до активного центру (рис. 6).
Крім активного центру в молекулі ферменту може бути також алостеричний центр (центри) (від грец. алос – другий, інший і стереос – просторовий, структурний). Алостеричний центр – це ділянка молекули ферменту, яка в результаті приєднання до неї низькомолекулярної сполуки зумовлює зміну просторової (третинної), а іноді і четвертинної структури ферменту. Це, в свою чергу, призводить до зміни конфігурації активного центру, що зумовлює зміну каталітичної активності, тобто підвищує або знижує каталітичну активність. Цей процес є основою так званої алостеричної регуляції ферментативної активності. Ферменти, активність яких контролюється станом активного та алостеричного центрів, називаються алостеричними ферментами. Характерною особливістю цих ферментів є наявність у молекулі олігомерного ферменту декількох активних і алостеричних центрів. Функціональна активність цих центрів тісно взаємозв’язана між собою і структурою усієї молекули ферменту.
Рис. 6. Схема індукованої „підгонки” ферменту і субстрату, ферменту й інгібітору
Прості ферменти. Молекули простих ферментів при гідролізі розщеплюються до амінокислот. За хімічними властивостями прості ферменти відносяться до альбумінів (естераза печінки), глобулінів (трипсин і уреаза) та до інших груп простих білків. Простими ферментами є гідролази харчового каналу (трипсин, уреаза, РНК-аза, ДНК-аза, хімотрипсин), лізоцим яйця, алкогольдегідрогеназа дріжджів і печінки та ін. У простих ферментів активний центр зазвичай формується із залишків гістидина, серина, аргініна, триптофана, цистеїна, аспарагінової і глутамінової кислот, тирозина. Так, в активному центрі РНК-ази розміщені два залишки гістидина, залишок аспарагіна і лізину. При формуванні третинної структури ферменту в його молекулі утворюється своєрідна „кишеня” поліпептидного ланцюга, в якій і відбуваються каталітичні перетворення субстрата (рис. 5).
Складні ферменти. Більшість ферментів є складними білками. При діалізі білковий компонент (апофермент) залишається в діалізаторі, небілковий проходить через напівпроникну перегородку. За присутності небілкових компонентів (кофакторів) виявляється каталітична дія багатьох ферментів. M. Діксон і Е. Уебб всі кофактори ферментів розділили на три види: коферменти, простетичні групи і активатори. Ні кофактор, ні апофермент не можуть самостійно повноцінно здійснювати каталітичний акт. Так, при з’єднанні заліза з молекулою порфірина утворюється гем, його каталітична активність щодо розкладання пероксида водню зростає в 1000 разів, а після приєднання гема до специфічного білкового компоненту утворюється каталаза, каталітична активність її в 100 000 000 разів перевищує активність кофактора. Кофактор в середньому складає близько 1 % загальної маси ферменту.
Зв’язок між апоферментом і кофактором в молекулі різних ферментів неоднаковий. Часто кофактор неміцно зв’язаний з апоферментом і з’єднується з ним під час каталітичного акту. В цьому випадку кофактор є типовим коферментом (див. вище). Прикладом таких ферментів є дегідрогенази. В багатьох ферментах кофактор міцно і постійно зв’язаний з апоферментом – простетична група, наприклад каталаза і пероксидаза, які містять гем. До активаторів ферментів відносять такі кофактори, які переводять фермент в активний стан, але самі не беруть участь в каталітичному акті. До них відносяться багато неорганічних іонів. До ферментів такого роду можна віднести карбоксипептидазу, карбоангідразу та ін. Їх часто називають металоферментами.
Розподіл кофакторів на три види умовний, оскільки дуже часто важко провести чітку грань між коферментом і простетичною групою, між іонами металів що входять до складу молекули та іонами, що активують каталітичний процес.
Функції кофакторів різноманітні. Перш за все, вони є основою для формування активного центру і здійснення контакту молекули ферменту з молекулами субстрата. Вони беруть участь у перенесенні атомних груп, атомів, протонів і електронів у ході каталітичного процесу. Деякі з них виконують зв’язуючі функції між різнорідними ферментами, забезпечуючи узгодженість їх дії. Каталіз здійснює вся молекула ферменту. Її білкова частина обумовлює швидкість реакції і специфічність дії. Один і той же кофактор може бути складовою частиною багатьох ферментів, різних за своєю будовою і значенням. Так, фосфопіридоксаль є кофактором понад 30-ти ферментів, що здійснюють карбоксилування, транс- і переамінування.
В молекулах складних ферментів в утворенні активного центру бере участь відповідний кофактор і деякі прилеглі до нього білкові функціональні групи: SH-група цистеїна, ОН-група серина, імідазольне кільце гістидина, СООН-групи аспарагінової і глутамінової кислот, індольна група триптофана та ін.
Коферменти. Простетичні групи
Коферментами називають низькомолекулярні органічні сполуки небілкової природи, що володіють здатністю оборотно зв’язуватися з ферментним білком. Їх можна відділити від апофермента діалізом, дією кислот або лугів, пропусканням через колонку з сефадексом. Утворення молекули ферменту з апо- і коферментів відбувається за рахунок слабих електростатичних або вандерваальсових сил. При цьому змінюється вторинна і третинна структури молекули, після чого фермент-білок стає більш стійким до денатуруючих чинників, ніж апофермент. Коферменти в активному центрі виконують роль переносника різних функціональних груп, протонів і електронів. Окремі коферменти беруть участь в активації молекул субстратів. Коферменти, відщеплюючись від апофермента, здійснюють транспортування цих речовин між окремими ферментами ферментативного ланцюга, перерозподіл їх між органоїдами і гіалоплазмою. В ході каталітичного акту коферменти зазвичай не зазнають глибоких хімічних змін і можуть багато разів (у складі одного або декількох ферментів) брати участь у ферментативних реакціях. Більшість коферментів є похідними вітамінів. Хімічна природа кофермента значною мірою визначає тип і механізми реакцій які вони каталізують. Недостатня кількість вітаміну в раціоні викликає гальмування тих реакцій обміну речовин, в яких бере участь фермент. Найбільш поширені такі коферменти:
Нікотінамідаденіндинуклеотид (НАД). Цей кофермент відноситься до універсальних по розповсюдженню і біологічній ролі. Містить каталітично активне угрупування – амід нікотинової кислоти. Структура НАД була вивчена О. Варбургом і X. Ейлером у 1936 р. НАД є складовою частиною понад 40 різних дегідрогеназ:
Сировиною для отримання НАД зазвичай служать дріжджі.
Нікотинамідаденіндинуклеотид фосфат (НАДФ). Цей кофермент відрізняється від НАД наявністю третього залишку фосфорної кислоти в положенні 2¢ рибози аденілової частини молекули.
НАДФ входить до складу меншого числа ферментів, ніж НАД. НАД в тканинах в 5 – 10 разів більше, ніж НАДФ. НАД і НАДФ є першою ланкою в ланцюзі проміжних переносників водню при біологічному окисленні.
Ліпоєва кислота. Є коферментом багатьох оксидоредуктаз. Зв’язується з апоферментом через карбоксильну групу і аміногрупу залишку лізину:
Коферментна функція ліпоєвої кислоти в активному центрі ферменту обумовлена здатністю легко окислюватися і відновлюватися з утворенням дисульфідних зв’язків або сульфгідрильних груп:
Це і дає можливість ферментам, що містять ліпоєву кислоту, брати участь як в перенесенні ацильних груп, так і реакціях біологічного окислення.
Глутатіон. Один з найпоширеніших природних пептидів. Трипептид глутатіон утворений із залишків трьох амінокислот: глутамінової, цистеїна і гліцина (g-глутамініл-цистеїніл-гліцин):
Ним багаті печінка, наднирники та еритроцити (75 – 120 мг%). Значення глутатіона в активному центрі ферментів обумовлено наявністю SH-груп, які легко вступають в реакцію окислення з аналогічними групами субстрата або сусідньої ділянки ферменту, утворюючи дисульфідні зв’язки:
В одних випадках це дає можливість ферменту фіксувати субстрат, в інших – одержувати для окисно-відновних реакцій протони і електрони і т.д. Відновлений глутатіон є коферментом деяких ізомераз, що здійснюють перетворення кетоформ кислот в енольні, циc-ізомерів кислот в транс-ізомери та ін. Деякі ферменти (фосфогліцерин-альдегід-дегідрогеназа) містять глутатіон у вигляді простетичної групи. Глутатіон служить коферментом при дії катепсинів, папаїна та ін. Зараз відомо понад 100 ферментів, що містять тіолові групи. Вважають, що глутатіон входить до складу молекули ферменту у відновленій формі.
Кофермент А (KoA). KoA – похідне аденілової, фосфорної, пантотенової кислот і b-меркаптоетаноламіна:
Наявність SH-групи у складі молекули кофермента дає йому можливість легко взаємодіяти з жирними кислотами, утворюючи ацилпохідні. KoA іноді називають коферменгом ацилування, або ацетилювання. Відомо понад 70-ти ферментів, у молекулі яких є KoA. Ацетил-КоА бере участь в реакціях перенесення, оксидоредукції, ізомеризації, конденсації і розщепленні ацильних груп.
Убіхінони. Ці коферменти, близькі по будові до вітаміну К, є похідними 5-метил-2,3-диметоксіхінона, в молекулі якого до шостого атома вуглецю приєднується поліізопреновий ланцюг (n = 6– 10):
Біологічне значення убіхінонів основане на їх здатності до оборотних окисно-відновних перетворень як проміжних сполук між флавопротеїдами і цитохромами. В ліпідному шарі біологічних мембран їх в 6 – 10 разів більше, ніж цитохромів.
2-Оксоглутарат. Цей метаболіт може виконувати коферментні функції. Складає єдину систему з глутаміновою кислотою в перенесенні аміногрупи трансаміназами:
Нуклеозидфосфати. Ці коферменти беруть участь в реакціях трансфосфорилування і передачі енергії від одного процесу до іншого. Реакції каталізуються кіназами. У ролі коферментів виступають найчастіше такі нуклеозидфосфати: АМФ, АДФ, АТФ, ГМФ, ГДФ, ГТФ, ЦТФ, УМФ, УДФ і інші і, перш за все, АДФ і АТФ.
Вони є, з одного боку, джерелами хімічної енергії, яка необхідна для протікання хімічних реакцій, з іншого – складовими частинами багатьох ферментів і коферментів.
Зокрема, АТФ є коферментом ряду кіназ, які переносять залишок фосфорної кислоти на монози:
АТФ також може бути джерелом пірофосфата для деяких вуглеводів:
АТФ часто виступає в ролі кофермента при перенесенні аденозинмонофосфорного залишку на яку-небудь кислоту, зокрема, на амінокислоту:
АТФ – джерело аденозильного залишку при активації і перенесенні метильних груп.
Як коферменти часто виступають уридинфосфати і їх похідні. Наприклад, УДФГ використовується при активації, перенесенні і перетворенні цукрів: ізомеризації галактози в глюкозу, синтезі сахарози, лактози, глюкозидів, хітину і т.д.
Коферментні функції виконують і інші нуклеозидфосфати. Зокрема, з участю цитидинфосфатів протікають реакції синтезу окремих видів фосфатидів, особливо лецитину.
Тетрагідрофолієва кислота (ТГФК). Це гомолог фолієвої кислоти, у якої відновлені атоми водню і азоту в положеннях 5, 6, 7 і 8:
ТГФК є коферментом великої групи трансфераз, що каталізують реакції, пов’язані з перенесенням або активацією одновуглецевих залишків: –СОН, –СН2–ОН, –СН3. З участю ТГФК синтезуються і розщеплюються пуринові основи і деякі амінокислоти: гістидин, гліцин і, особливо, серин.
B12-залежні коферменти. Ці коферменти є похідними вітаміну В12 в молекулі якого ціаниста група заміщена на 5¢-дезоксиаденозин. Кофермент B12 разом з тетрагідрофолієвою кислотою бере участь в перенесенні метильних груп. Під впливом відповідної метилтрансферази від 5-метилтетрагідрофолієвої кислоти метильна група переноситься на кофермент B12 і приєднується до його молекули замість 5¢-дезоксиаденозина. Потім під впливом іншої трансферази ця ж метильна група переноситься на речовину, яка необхідна для синтезу метилвмісної сполуки. Ним може бути гомоцистеїн, з якого утворюється амінокислота метіонін. Після метилування вітамін B12 знову перетворюється в кофермент B12 і вступає в реакцію з новими порціями 5-метилтетрагідрофолієвої кислоти. Крім того, кофермент B12 бере участь в найважливішій для біосинтезу жирних кислот реакції – ізомеризації сукциніл-КоА в метилмалоніл-КоА:
Кофермент B12 бере участь в ізомеризації глутамінової кислоти, перетворенні діолів у альдегіди та в інших важливих реакціях обміну речовин.
Простетичні групи. Багато ферментів у складі своїх молекул містять кофактори, які міцно зв’язані ковалентними зв’язками з апоферментами. Молекули таких ферментів слабо або зовсім не дисоціюють. При утворенні молекули ферменту з апофермента і простетичної групи утворюється стійка вторинна і третинна структура. З кофакторів такого роду найбільший інтерес представляють такі:
Флавіннуклеотиди. Флавіннуклеотиди – це похідні вітаміну B2, або рибофлавіну. В тваринних клітинах зустрічаються в основному флавінмононуклеотиди (ФМН) і флавінаденіндинуклеотиди (ФАД):
ФМН і ФАД – простетичні групи флавінових ферментів, або флавопротеїдів. Зокрема, ФМН як простетична група, з’єднуючись з апоферментом, утворює холофермент – „жовтий дихальний фермент” (ЖДФ):
Ізоалоксазонове угрупування простетичної групи дає можливість ЖДФ виконувати найважливіші каталітичні функції, зокрема, брати участь в реакціях біологічного окислення. ЖДФ є переносником протонів і електронів в двох напрямах: у бік цитохромів або від цитохромів до піридиннуклеотидів дихального ланцюга і до окислених субстратів. Крім того, флавіннуклеотиди беруть участь у ряді інших реакцій обміну речовин. Серед них особливе місце займають реакції утворення подвійних зв’язків. Зокрема, сукцинатдегідрогеназа і ацил-КоА-дегідрогеназа циклу b-окислення жирних кислот каталізують процеси, пов’язані з утворенням подвійних зв’язків:
Тіамінфосфати. Тіамінфосфати є похідними вітаміну В1 або тіаміну. Простетичною групою ферментів найчастіше виступає тіамінпірофосфат (ТПФ). З’єднання тіамінфосфатів з апоферментами, мабуть, таке ж, як і флавіннуклеотидів. Каталітична активність ферменту пов’язана з іонізацією вуглецевого атома в положенні 2 тіазолового кільця, до яких і приєднується молекула субстрата:
Під впливом позитивного заряду атома азоту від вуглецевого атома в положенні 2 відщеплюється протон, виникає негативно заряджений карбаніон. Карбаніон – нуклеофільний центр, який легко вступає в реакцію з субстратом, наприклад, з піровиноградною кислотою, утворюючи піруват-ТПФ-комплекс. Цей комплекс легко декарбоксилується, утворюючи альдегідо- або кето-ТПФ-комплекс, карбонільна група якого передається на відповідний акцептор, наприклад, на ліпоєву кислоту.
ТПФ після цього вступає в реакцію з новими порціями субстрата. ТПФ є простетичною групою не тільки піруватдекарбоксилази, але й інших ферментів, що беруть участь в обміні багатьох a-кетокислот, утворенні і розщепленні кетоцукрів, a-оксикетонів і дикетонів.
Піридоксальфосфат і піридоксамінфосфат – похідні вітаміну В6. Є складовою частиною піридоксалевих ферментів. Значення цих ферментів у білковому обміні велике, оскільки з їх діяльністю пов’язана більшість перетворень a-амінокислот: переамінування, декарбоксилування, рацемація, конденсація b- і g-заміщених a-амінокислот і т.д. Теорія каталітичної дії цих ферментів вперше була розроблена радянськими біохіміками О.E. Браунштейном і M.M. Шемякіним на прикладі реакцій переамінування:
Ці реакції дають можливість організму отримати потрібні замінні амінокислоти для клітин і тканин. Крім того, окремі декарбоксилази, що містять в своїх молекулах піридоксальфосфат або піридоксамінфосфат, каталізують утворення в тканинах фізіологічно активних амінів: гістаміна з гістидина, серотоніна з триптофана та ін. З діяльністю піридоксалевих ферментів пов’язано утворення цистеїна з серина і гомоцистеїна, тирозина, триптофана.
Біотин. Приєднання біотина до апоферменту здійснюється за допомогою пептидного зв’язку, який утворюється за рахунок карбоксильної групи біотина і e-аміногрупи залишку лізину простого білка. Біотин входить до складу молекул багатьох ферментів, що каталізують реакції карбоксилування і перенесення карбоксильних груп.
Залізопорфіринові комплекси є простетичною групою каталази, пероксидази і цитохромів. У каталазі і пероксидазі, як і в гемоглобіні крові, простетична група – гем. Залежно від природи гема цитохроми ділять на чотири групи:
1. Цитохроми А – містять залізоформілпорфірин.
2. Цитохроми В – містять залізопротопорфірин.
3. Цитохроми С – містять заміщений залізомезопорфірин з ковалентними зв’язками між білком і порфірином.
4. Цитохроми D містять залізодигідропорфірин. Апоферменти – низькомолекулярні білки.
Кожна група цитохромів складається з індивідуальних представників. Вони позначаються малими латинськими буквами і цифровими підрядковими індексами: а, a1, а2, в, в1, в2 і т.д.
Зв’язок між апоферментом і простетичною групою найчастіше ковалентний і додатковий. Прикладом може бути цитохром с:
Цитохроми є складовою частиною дихального ланцюга. В ході функціонування якого електрони послідовно переносяться від „жовтого дихального ферменту” на цитохром b, c1, c, а і а3. Під впливом ферменту, цитохромоксидази цитохром а окислюється, електрон, що відщепився, переноситься на атом кисню, який іонізується і реагує з іоном водню. Утворюється вода. Енергія акумулюється у вигляді АТФ.
Ізоферменти
Ізоферменти – це різновиди ферменту, які володіють однією і тією ж субстратною специфічністю, але відрізняються між собою деякими фізичними, хімічними, каталітичними та імунологічними властивостями. Молекула ізофермента складається з декількох субодиниць, які формують її четвертну структуру. В даний час відомі ізоферменти декількох ферментів: лактатдегідрогенази (ЛДГ), фосфоглюкомутази, альдолази, креатинкінази, малатдегідрогенази, ізоцитратдегідрогенази, глюкозо-6-фосфатдегідрогенази, фосфоглюконатдегідрогенази та ін.
Найбільш детально вивчені ізоферменти ЛДГ, яка здійснює перетворення молочної і піровиноградної кислот. Молекулярна маса ЛДГ складає 140 тис. Її молекула складається з чотирьох субодиниць, які діляться на два види: H (переважають в міокарді) і M (найбільше в скелетній мускулатурі). Для ЛДГ тварин характерні п’ять ізоферментів, що складаються з таких субодиниць: I – HHHH, II – HHHM, III – HHMM, IV – HMMM і V –MMMM. Ізоферменти мають нумерацію: I – ЛДГ1 II – ЛДГ2, III – ЛДГ3, IV – ЛДГ4 і V – ЛДГ5. Перші два ізофермента (ЛДГ1 і ЛДГ2) при електрофорезі рухаються до анода – анодні фракції, останні два (ЛДГ4 і ЛДГ5) рухаються до катода – катодні фракції і середній ізофермент (ЛДГ3) займає проміжне положення.
Фракції відрізняються між собою біологічною роллю. Так, анодні фракції здійснюють процес перетворення піровиноградної кислоти в аеробних умовах, катодні – в анаеробних, а проміжна фракція – в аеробних і анаеробних. Для кожної тканини і органу характерний свій ізоферментний спектр. Так, в міокарді, мозку, нирках і еритроцитах переважають ізоферменти ЛДГ1 і ЛДГ2. Саме під їх впливом з молочної кислоти утворюється піровиноградна кислота, яка служить джерелом ацетил-КоА. ЛДГ4 і ЛДГ5 типові для скелетної мускулатури, тканин легень і печінки. Під впливом цих ізоферментів піровиноградна кислота відновлюється до молочної кислоти. ЛДГ3 переважає в тканинах ендокринних залоз і селезінки.
Спектр ізоферментів може змінюватися в різні періоди онтогенезу і при патології. Його визначення дає можливість діагностувати хворобу і контролювати лікування. Так, при нефриті у складі крові і сечі з’являються додаткові фракції ЛДГ4 і ЛДГ5, нетипові для здорових тварин. При захворюваннях легень у крові і сечі зростає вміст ЛДГ3.
Механізм дії ферментів
Механізм ферментативного каталізу є об’єктом дослідження багатьох учених. При ферментативному каталізі виявляється білкова природа ферментів, їх термолабільність, вплив рН середовища, специфічність дії, висока каталітична здатність, чутливість до активаторів і інгібіторів. Ферментативна реакція протікає згідно закону дії мас.
Ферменти і енергія активації. Ферменти – це біологічні каталізатори. Вони впливають на швидкість реакцій в двох напрямах: прискорюють розщеплення або синтез певних речовин. Збільшення швидкості реакції відбувається внаслідок зміни енергії активації молекул субстратів. Енергія активації E характеризує енергетичний бар’єр, який необхідно подолати, щоб привести реагуючі речовини в активний стан. Він обумовлений силами міжмолекулярного зчеплення або міжмолекулярного відштовхування реагуючих речовин. Швидкість реакції можна збільшити, якщо збільшити число молекул, що активуються, або зменшити висоту енергетичного бар’єру. Молекули субстратів можна привести в активний стан різними прийомами. Одним з них є нагрівання, при якому в розчинах зростає швидкість руху молекул і можливість їх зіткнення. За наявності каталізатора знижується енергетичний бар’єр і енергія активації. Так, для розщеплення сахарози на глюкозу і фруктозу під впливом сірчаної кислоти E=134400 Дж/моль, а за участю інвертази – 40420 Дж/моль. Для гідролізу казеїну соляною кислотою E=109200 Дж/моль, пепсином – 50400 Дж/моль. Енергія активації розкладання Н2О2 без каталізатора рівна 75600 Дж/моль, з участю колоїдної платини – 49140, каталази печінки – 23100 Дж/моль.
Теорія ферментативного каталізу. Існуючі теорії, пояснюючи взаємодію ферменту і субстрата, допускають тимчасове їх з’єднання з утворенням проміжного фермент-субстратного комплексу. Теорія ферментативного каталізу (теорія Міхаеліса – Ментен) припускає такі етапи:
I етап. Між субстратом і ферментом виникає зв’язок, внаслідок чого утворюється фермент-субстратний комплекс ES, в якому компоненти зв’язані між собою ковалентним, іонним, водневим та іншими зв’язками.
II етап. Субстрат під впливом приєднаного ферменту активується, стаючи доступним для відповідних реакцій каталізу ES.
III етап. Здійснюється каталіз ES*.
IV етап. Вивільнюється молекула ферменту E і продукти реакції P.
Послідовність перетворень відображає схема:
Теорія ферментативного каталізу була підтверджена експериментально. Так, з хріну був виділений фермент, що розщеплює пероксид водню – пероксидаза коричневого кольору. Після з’єднання ферменту Е з субстратом Н2O2 (S) виникає фермент-субстратний комплекс ES зеленого кольору. Через деякий час субстрат активується, утворюючи фермент-активований субстрат ES* червонуватого кольору. Він розщеплюється на коричневий фермент E і продукти розпаду P.
Б. Чанс розробив чутливі методи для спектрофотометричного вивчення кінетики ферментативних реакцій на всіх етапах каталізу.
Кінетика ферментативних реакцій. Кожна хімічна реакція протікає з певною швидкістю. Біологічне призначення ферментів полягає в направленому підвищенні швидкості хімічних реакцій.
Ферментативна кінетика – розділ хімічної кінетики, що вивчає залежність швидкостей ферментативних реакцій від хімічної природи реагуючих речовин (субстратів, ферментів) і умов їх взаємодії (концентрації компонентів, рН, складу середовища, температури, дії активаторів або інгібіторів та ін.).
Розрізняють декілька типів ферментативних реакції: необоротні реакції з одним субстратом, оборотні реакції з одним субстратом, необоротні реакції з двома субстратами і т.д. Найбільш поширені необоротні реакції з одним субстратом.
Згідно теорії ферментативного каталізу (Л. Міхаеліс і M. Ментен; Дж. Бріггс і Дж. Холдейн), фермент E спочатку реагує з субстратом S, що призводить до утворення фермент-субстратного комплексу ES (в багатьох реакціях – двох і більше комплексів, що виникають в певній послідовності). Фермент-субстратний комплекс характеризується константою швидкості реакції його утворення k+1 і константою швидкості реакції розпаду k–1:
Для характеристики утворення фермент-субстратного комплексу була прийнята субстратна константа, або константа дисоціації Кs, яка рівна:
Величина субстратної константи залежить від природи субстрату і ферменту. При однакових початкових концентраціях ферменту і субстрату концентрація комплексу [ES] буде тим більша, чим менша величина Кs:
Субстратна константа визначає ступінь спорідненості ферменту і субстрату. Так, для інвертази, яка здійснює гідролітичне розщеплення сахарози до глюкози і фруктози, KS=0,0167. Тут концентрація фермент-субстратного комплексу перевищує концентрацію вільних ферменту і субстрата приблизно в 60 разів.
У другій фазі ферментативного каталізу фермент-субстратний комплекс розпадається на фермент E і продукт реакції P. Обидві фази ферментативного каталізу з’єднано в систему, типову для необоротних реакцій з одним субстратом:
В системі k+2 означає константу швидкості розпаду фермент-субстратного комплексу на фермент Е і продукт реакції P.
Для повної характеристики ферментативного процесу використовується константа Міхаеліса Кm. Вона виражає відношення констант трьох реакцій, показаних в системі:
Числовий вираз Кm завжди дещо більше, ніж Ks. Так, значення Кs для фермент-субстратного комплексу сахараза – сахароза рівно 0,0167, а величина Кm – 0,0280 моль/л. Кm для різних ферментів неоднакова.
Швидкість хімічної реакції, що каталізується ферментом, вимірюється кількістю молів субстрата, які перетворюються за одиницю часу. Так, швидкість ферментативної реакції, що протікає за оптимальних умов (повне насичення ферменту субстратом, температура 25°С або 37°C, рН), позначається символом V і називається максимальною, або початковою, швидкістю. Вона визначається константою швидкості розпаду фермент-субстратного комплексу і концентрацією ферменту:
Для ферментативної реакції, яка протікає при недостатньому насиченні ферменту субстратом, характерна спостережувана швидкість . Вона визначається добутком константи швидкості розпаду фермент-субстратного комплексу з утворенням продукту реакції Р і концентрації фермент-субстратного комплексу [ES]:
Якщо врахувати, що
,
і
,
то
Таким чином, швидкість ферментативної реакції прямо пропорційна константі швидкості розпаду фермент-субстратного комплексу з утворенням продукту реакції, концентраціям ферменту, субстрату і обернено пропорційна субстратній константі.
Для стаціонарної стадії реакції концентрація [ES] постійна. Якщо [S] > [Е],то
Застосовуючи константу Міхаеліса, можна спростити рівняння:
Спостережувану швидкість реакції можна виразити рівнянням:
При збільшенні концентрації субстрату [S], коли [S] > Km
Тут швидкість ферментативної реакції прагне до максимальної швидкості. Швидкість реакції можна охарактеризувати рівнянням Міхаеліса – Ментен:
З рівняння витікає, що при незначній концентрації субстрату швидкість ферментативної реакції лінійно залежить від [S], а при дуже високій концентрації субстрату вона прагне максимальної швидкості Vmax і вже не змінюється із збільшенням [S]. Рівняння також показує, що при збереженні рівня [S] > [E] швидкість реакції пропорційна концентрації ферменту E.
Номенклатура і класифікація ферментів
У даний час відомо понад 1000 ферментів. У міру розвитку біохімії виникала необхідність у вдосконаленні номенклатури і класифікації ферментів. До перших ферментів, відкритих біохіміками, відносяться ферменти, що здійснюють гідролітичне розщеплення речовин, – гідролази. Потім були відкриті ферменти, що здійснюють негідролітичний розпад складних речовин – десмолази, або ліази та ін. Ферменти почали називати за характером каталітичної дії, природою субстрату та іншим ознакам, додаючи до кореня слова суфікс –аза. Так виникли тривіальні назви ряду класів (наприклад, гідролази), груп (пептидази) і окремих представників (амілаза) ферментів.
На V Міжнародному біохімічному конгресі, що проходив у 1961 р. в Москві, була прийнята нова класифікація і номенклатура ферментів. За основу був узятий принцип класифікації ферментів по типу хімічних реакцій, які вони каталізують. Всі відомі ферменти діляться на шість класів:
1. Оксидоредуктази – ферменти, які каталізують окисно-відновні реакції.
2. Трансферази – ферменти, які каталізують реакції міжмолекулярного перенесення різних хімічних груп і залишків.
3. Гідролази – ферменти, які каталізують реакції приєднання або відщеплення окремих груп або залишків молекул з участю води.
4. Ліази – ферменти, які каталізують реакції відщеплення від субстрата негідролітичним шляхом певних груп з утворенням подвійних зв’язків або реакції приєднання таких же груп по подвійних зв’язках.
5. Ізомерази – ферменти, які каталізують реакції внутрішньомолекулярного переміщення різних атомних груп або зв’язків (ізомерні перетворення речовин).
6. Лігази (синтетази) – ферменти, які каталізують з’єднання двох і більше молекул простих речовин в одну за рахунок макроергічного зв’язку молекули АТФ або іншого донатора енергії.
Кожний клас ферментів підрозділяється на підкласи, які, у свою чергу, діляться на підпідкласи, підпідкласи складаються з окремих представників. Єдина система класифікації ферментів заснована на чотиризначному десятковому коді, згідно якому класам, підкласам, підпідкласам і індивідуальним ферментам привласнюються номери (шифри). Перша цифра шифру показує, до якого з шести класів відноситься даний фермент, друга цифра означає підклас в класі, третя – підпідклас, четверта – порядковий номер ферменту в даному підпідкласі. Ферменти, для яких каталітичні реакції вивчені недостатньо, тимчасово віднесені в підпідклас з номером 99. Наприклад, деякі ферменти класу оксидоредуктаз (цифра 1), для яких не встановлена природа природного акцептора (підклас 1) позначаються 1.1.99 і т.д.
В даний час біохіміки користуються двома номенклатурами – тривіальною (робочою) і систематичною. Тривіальна номенклатура використовується в повсякденній практиці. Тривіальні назви ферментів короткі, наприклад, пепсин, трипсин, уреаза, мальтаза, лактаза.
Систематичні назви точно ідентифікують фермент і по можливості точно визначають його дію. Систематична назва ферменту складається з двох частин: перша частина назви відображає назву головного субстрата, друга – характер реакції, яка каталізується, і суфікс –аза. На початку шифру ставиться дві букви – КФ (класифікація ферментів) і чотири числа; розділених між собою крапками, – чотиризначний десятковий код ферменту. Так, фермент, який гідролітично розщеплює пептидний зв’язок між двома залишками гліцина (гліцилгліцина), називається гліцилгліцин-гідролаза, його шифр – КФ 3.4.3.1. Якщо фермент каталізує реакцію між двома субстратами (зокрема, перенесення окремих груп атомів), то в першій частині назви ферменту вказуються назви цих субстратів, ставиться двокрапка без інтервалу, а в другій частині вказується характер хімічної реакції і додається суфікс –аза. Так, фермент, що переносить атоми водню від молочної кислоти на кофермент НАД, називається L-лактат:НАД-оксидоредуктаза, його шифр – КФ 1.1.1.27. У ряді випадків дається докладна вказівка про окремі сторони хімізму дії ферменту (за допомогою дужок) за систематичною назвою. Так, фермент, який дезамінує L-глутамінову кислоту шляхом перенесення водню на НАД, називається L-глутамат:НАД-оксидоредуктаза (дезамінуюча), його шифр – КФ 1.4.1.2.
За новою класифікацією можна швидко знайти в списку ферментів потрібний фермент, визначити його тривіальну і систематичну назву, номер (шифр), активні групи і кофактори, характер хімічної реакції, яку він каталізує, дізнатися про джерела сировини для його одержання та ін.
Нижче приводяться відомості за новою класифікацією і номенклатурою ферментів 1961 р. з додаванням змін, внесених пізніше Асамблеями Міжнародного біохімічного союзу. Класи представлені повністю, підкласи, підпідкласи і індивідуальні ферменти – вибірково, залежно від їх значення в обміні речовин.
1. оксидоредуктази
Ферменти, які каталізують окисно-відновні процеси. Оксидоредуктази – двокомпонентні ферменти. Функції кофакторів у яких можуть виконувати піридин– (НАД і НАДФ) і флавіннуклеотиди (ФМН і ФАД), залізопорфіринові комплекси (гем) і багато катіонів (Fe3+, Fe2+, Co2+, Mo2+, Cu2+, Zn2+ та ін.). Хімічні реакції, в яких беруть участь оксидоредуктази, дають можливість клітинам одержувати хімічну енергію у вигляді макроергічних сполук.
Відомо понад 200 оксидоредуктаз. Вони об’єднані в 14 підкласів. За тривіальною номенклатурою ферменти розділяються відповідно до характеру каталітичної дії на дегідрази (відщеплюють від субстрата атоми водню або електрони і переносять їх на інший субстрат), оксидази (акцептором є кисень), гідроксилази (включають у відновлений субстрат один атом кисню) і оксигенази (вводять в субстрат, що окислюється, два атоми кисню).
За систематичною номенклатурою в назві ферменту вказується субстрат-донатор, субстрат-акцептор, слово „оксидоредуктаза” і шифр.
1.1. Оксидоредуктази, які діють на CH–ОН-групу донорів. Залежно від природи акцептора підклас ділиться на чотири підпідкласи. Прикладом, коли акцептором є НАД або НАДФ, може бути фермент спиртового бродіння – алкогольдегідрогеназа (алкоголь:НАД-оксидоредуктаза, КФ 1.1.1.1), що здійснює окислення спиртів з участю НАД і іонів Zn2+:
До другого підпідкласу відносяться ферменти, у яких акцептором є цитохром. Зокрема, лактатдегідрогеназа (L–лактат:цитохром С-оксидоредуктаза, КФ 1.1.2.3), яка каталізує окислення лактата з участю цитохрома С і наявності іонів Zn2+ як активаторів. Для ряду ферментів акцептором є кисень, зокрема, для гексозооксидази (D-гексоза:O2-оксидоредуктаза, КФ 1,1.3.5).
1.2. Оксидоредуктази, які діють на альдегідну або кетонну групу донорів. Залежно від природи акцептора підклас ділиться на п’ять підпідкласів (акцептори – НАД або НАДФ, цитохроми, O2, ліпоєва кислота та інші). Прикладом може бути гліцеральдегідфосфатдегідрогеназа (D-гліцеральдегід-3-фосфат:НАД-оксидоредуктаза (фосфорилуюча), КФ 1.2.1.12):
1.3. Оксидоредуктази, які діють на CH–СН-групу донорів. За участю ферментів даного підкласу CH–СН-групи перетворюються в С=С-групи:
Залежно від природи акцепторів (НАД або НАДФ, цитохроми, O2, та інші) підклас ділиться на чотири підпідкласи.
Найбільше значення мають ацил-КоА-дегідрогеназа (ацил-КоА:(акцептор) –оксидоредуктаза, КФ 1.3.99.3), що каталізує окислення вищих жирних кислот, і сукцинатдегідрогеназа (сукцинат: (акцептор) – оксидоредуктаза, КФ 1.3.99.1):
1.4. Оксидоредуктази, які діють на CH–NH2-групу донорів. Ферменти дезамінують аміни і амінокислоти. При цьому аміни перетворюються на альдегіди (або кетони), амінокислоти – в кетокислоти. В тканинах тварин широко поширена глутаматдегідрогеназа (L-глутамат:НАД-оксидоредуктаза (дезамінуюча), КФ 1.4.1.2.):
1.5. Оксидоредуктази, які діють на СН–NH-групу донорів. Ферменти, які каталізують окислення заміщених амінів без виділення аміаку.
1.6. Оксидоредуктази, які діють на відновлені НАД або НАДФ. Для цих ферментів донором водню є відновлені форми коферментів. Наприклад, фермент цистинредуктаза (НАДФ) (НАДФ:L-цистиноксидоредуктаза, КФ 1.6.4.1.) є донором водню для відновлення цистину:
1.7. Оксидоредуктази, які діють на інші азотисті сполуки донорів. До цього підкласу відносять ферменти, які каталізують окислення азоту, аміаку та деяких органічних нітросполук.
1.8. Оксидоредуктази, які діють на сірковмісні групи донорів. Ферменти окислюють тіолові групи до дисульфідних або сульфітів, а сульфіти – до сульфатів. Розрізняють шість підпідкласів залежно від природи акцептора. Загальний принцип дії більшості ферментів такий:
Типовим ферментом підкласу є цистеаміндегідрогеназа (цистеамін:НАД-оксидоредуктаза, КФ 1.8.1.1).
1.9. Оксидоредуктази, які діють на групи гема донорів. Підклас складається з шести підпідкласів. В організмі широко поширена цитохромоксидаза (цитохром С:O2-оксидоредуктаза, КФ 1.9.3.1), яка окислює цитохром С при перенесенні електронів на кисень:
4 Фероцитохром С + О2 = 4 Ферицитохром С + Н2О
1.10. Оксидоредуктази, які діють на дифеноли і близькі до них сполуки донорів. Ферменти цього підкласу каталізують окислення о- і n-фенолів до відповідних о- і n-хінонів. Сюди належить також фермент аскорбатоксидаза (L-аскорбат:О2-оксидоредуктаза, КФ 1.10.3.3), яка окислює аскорбінову кислоту до дегідроаскорбінової:
1.11. Оксидоредуктази, які діють на Н2О2 як акцептор. Найбільш поширено два ферменти – пероксидаза і каталаза. Їх простетична група представлена гемом. Пероксидаза (донор:H2O2-оксидоредуктаза, КФ 1.11.1.7) каталізує реакцію:
Донор + Н2О2 = Окислений донор + Н2О
Каталаза (Н2О2:H2O2-оксидоредуктаза, КФ 1.11.1.6) руйнує пероксид водню, що утворюється в ході окисно-відновних реакцій:
2H2О2 ® 2H2O + O2.
1.12. Оксидоредуктази, які діють на водень як захисники донора. Акцептором водню в цих ферментах є НАД+ або НАДФ+, цитохроми або залізосіркопротеїд.
1.13. Оксидоредуктази, які діють на окремі донори з включенням у них молекулярного кисню (оксигенази). Ферменти цього підкласу каталізують реакції включення в свої субстрати одного або двох атомів кисню з О2. При цьому вони взаємодіють з однією молекулою донора (субстрату). Прикладом є ліпоксигеназа (лінолеат:О2-оксидоредуктаза, КФ 1.13.11.12). цей фермент каталізує реакції окислення ненасичених жирних кислот (головним чином лінолевої та ліноленової) з утворенням гідроперекисних і перекисних сполук:
1.14. Оксидоредуктази, які діють на пару донорів, каталізуючи включення молекулярного кисню. Ферменти цього підкласу каталізують більш складні реакції, ніж підкласу 1.13. Вони прискорюють реакції, в яких два різних донори водню взаємодіють з О2.
До наступних підкласів належать оксидоредуктази, які діють на перекисні радикали у вигляді акцептора (1.15), окислюють іони металів (1.16), діють на СН2-групи (1.17), на відновлений фередоксин у вигляді донора (1.18) і на відновлений флаводоксин у вигляді донора (1.19).
2. трансферази
Трансферази – клас ферментів, які каталізують перенесення різних хімічних груп від однієї органічної сполуки (донатора) до іншої (акцептору). Вони беруть участь в обміні нуклеїнових кислот, білків, вуглеводів, ліпідів і т.д. Каталітичний процес, в якому беруть участь трансферази, складається з декількох стадій. Головною з них є утворення проміжного продукту – фермент-транспортованої групи. Якщо донатор позначити A, транспортовану групу – T, фермент – Ф, акцептор – Д, то ці реакції можна зобразити так:
А + Ф « В + ФТ; ФТ + Д « ДТ + Ф.
Клас трансфераз об’єднує близько 800-та ферментів. Він складається з восьми підкласів. Систематична назва ферменту створюється за схемою: донор: акцептор – група-трансфераза. В тканинах найбільш поширені такі підкласи трансфераз:
2.1. Трансферази, які діють на одновуглецеві залишки. Залежно від природи залишку в підкласі розрізняють три підпідкласи. Особливої уваги заслуговують метилтрансферази, які здійснюють реакції переметилювання. До них відноситься нікотинамід-метилтрансфераза (S-аденозилметіонін:нікотинамід-метилтрансфераза, КФ 2.1.1.1), яка каталізує утворення N-метилнікотинаміда за рахунок перенесення метильної групи з „активного” метіоніна на нікотинамід:
Широко поширені в тканинах карбоксил- і карбамоїлтрансферази, які каталізують перенесення COOH- і COO–NH2-груп. Так, в тканинах печінки міститься орнітин-карбамоїлтрансфераза (карбамоїлфосфат:L-орнітин-карбамоїлтрансфераза, КФ 2.1.3.3).
2.2. Трансферази, які діють на альдегідні або кетонні залишки. З участю цих ферментів формуються молекули нових речовин, що містять карбонільну групу з високою реакційною здатністю. Так, під впливом трансальдолази (D-седогептулозо-7-фосфат:D-гліцеральдегід-3-фосфат – діоксіацетонтрансферази, КФ 2.2.1.2) здійснюється одна з основних реакцій пентозного циклу:
2.3. Трансферази, які діють на ацильні залишки. Це ферменти, що здійснюють перенесення залишків різних жирних кислот за допомогою KoA на різні акцептори (гліцин, карнітин, холін та ін.). Прикладом є холін-ацетилтрансфераза (ацетил-КоА:холін-О-ацетилтрансфераза, КФ 2.3.1.6), яка синтезує в нервовій тканині ацетилхолін:
2.4. Трансферази, які діють на глікозильні залишки. Це ферменти, які каталізують перенесення залишків вуглеводів від різних глікозильних сполук. Прикладом є УДФ-галактоза-глюкоза – галактозилтрансфераза (УДФ-галактоза:D-глюкоза-1-галактозилтрансфераза, КФ 2.4.1.22), яка каталізує утворення молочного цукру (лактози):
УДФ-галактоза + D-глюкоза = Лактоза + УДФ
2.5. Трансферази, які переносять алкільні (відрізняються від метильних) та арильні залишки. Дана група ферментів досить гетерогенна. Значна частина цих ферментів бере участь у синтетичних процесах, зокрема в біосинтезі стероїдів, каротиноїдів, убіхінону, тіаміну, рибофлавіну та інших сполук. До цього класу належить метіонін-аденозилтрансфераза (АТФ:L-метіонін S-аденозилтрансфераза, КФ 2.5.1.6), яка перетворює метіонін на сполуку активних метильних груп:
АТФ + L-метіонін + Н2О = S-Аденозилметіонін + 3 Н3РО4
2.6. Трансферази, які діють на азотисті групи. Підклас складається з трьох підпідкласів (амінотрансферази, амідинотрансферази, оксимінотрансферази). Велике значення має аланін-амінотрансфераза (L-аланін:2-оксоглутарат-амінотрансфераза, КФ 2.6.1.2), що каталізує двостороннє перенесення аміногрупи:
2.7. Трансферази, які діють на фосфатні групи. Підклас на основі природи хімічної групи акцептора фосфату ділиться на сім підпідкласів. Прикладом ферменту, що каталізує приєднання фосфатної групи до спиртового гідроксилу, є гексокіназа (АТФ:D-гексоза-6-фосфотрансфераза, КФ 2.7.1.1):
АТФ + D-гексоза + D-гексозо-6-фосфат + АДФ
2.8. Трансферази, які діють на сірковмісні групи. В підклас входить три підпідкласи: сульфідтрансферази, сульфотрансферази, КоА-трансферази. Зокрема, малонат-КоА-трансфераза (ацетил-КоА:малонат-KoA-трансфераза, КФ 2.8.3.3) каталізує реакцію:
3. гідролази
Це ферменти, що каталізують реакції розщеплення (іноді і синтезу) органічних речовин, за участю води:
R1R2 + HOH « R1H + R2OH
Гідролази широко поширені в природі. Вони беруть участь в обміні нуклеїнових кислот, білків, ліпідів, вуглеводів та інших сполук. Більшість гідролаз – прості білки. Каталітична активність залежить від наявності в їх каталітичних центрах SH-груп. Відомо близько 200 гідролаз. За типом зв’язку який вони гідролізують їх ділять на одинадцять підкласів.
3.1. Гідролази, які діють на складноефірні зв’язки. За тривіальною номенклатурою їх називають естеразами. Підклас складається з шести підпідкласів: гідролази ефірів карбонових кислот, тіолових ефірів, фосфомоноефірів, фосфодиефірів, трифосфомоноефірів і сульфоефірів. В організмі широко поширена ліпаза (гідролаза ефірів гліцерину, КФ 3.1.1.3), особливо в тканинах підшлункової залози. Під її впливом, у тому числі і в тонкій кишці, відбувається розщеплення нейтральних жирів:
Гідролази тіолових ефірів розщеплюють складні ефіри, утворені SH-групами і карбоновими кислотами. Так, ацетил-КоА-гідролаза (ацетил-КоА – гідролаза, КФ 3.1.2,1) каталізує розкладання ацетил-КоА:
Ацетил-КоА + H2O = KoA + CH3–COOH
Під впливом гідролаз фосфомоноефірів (фосфатаз) фосфорні ефіри розщеплюються на спирти і фосфорну кислоту. Так, лужна фосфатаза (фосфогідролаза моноефірів ортофосфата, КФ 3.1.3.1) каталізує реакцію:
3.2. Гідролази, які діють на глікозильні сполуки. За тривіальною номенклатурою цей підклас називають глікозидазами, оскільки вони розщеплюють глікозидні зв’язки між залишками моноз. Підклас складається з трьох підпідкласів: гідролази глікозидів, N-глікозильних і S-глікозильних сполук. Сюди входять такі ферменти вуглеводного обміну, як a- і b-амілази, целюлаза, інулаза, a- і b-глюкозидази, нуклеозидаза та ін. Типовим представником першого підпідкласу є a-амілаза (a-1,4-глюкан – 4-глюканогідролаза, КФ 3.2.1.1), яка здійснює за присутності іонів Ca2+ гідролітичне розщеплення a-1,4-глюканових зв’язків в полісахаридах. Механізм дії ферментів другого підпідкласа відображає НАД(Ф)-нуклеозидаза (НАД(Ф) – глікогідролаза, КФ 3.2.2.6):
НАД(Ф) + H2O = Нікотінамід + R(Ф)
3.3. Гідролази, які діють на прості ефірні зв’язки. Представником ферментів цього підкласу є аденозилгомоцистеїназа (S-аденозил-L-гомоцистеїн гідролаза, КФ 3.3.1.1):
3.4. Пептидгідродази. Вони каталізують розщеплення пептидних зв’язків в білках:
R1–NH–CO–R2 + H2O « R1–NH2 + R2–COOH
Підклас складається з чотирьох підпідкласів: a-амінопептид-аміноацидогідролази, a-карбоксипептид-аміноацидогідролази дипептидгідролази і пептид-пептидогідролази. В підклас входять багато відомих ферментів. Так, амінотрипептидаза (КФ 3.4.1.3) гідролізує пептиди, що містять нейтральні амінокислоти, з відщепленням N-кінцевого залишку молекули; карбоксипептидаза А (КФ 3.4.2.1) гідролізує пептиди з відщепленням С-кінцевого залишку молекули; пепсин (КФ 3,4.4.1) гідролізує зв’язки між залишками ароматичних або дикарбонових L-амінокислот; катепсин С (КФ 3.4.4.1) гідролізує пептиди, особливо по зв’язках, що містять залишок ароматичної амінокислоти, суміжної з вільною a-аміногрупою і т.д.
3.5. Гідролази, які діють на С–N-зв’язки, відмінні від пептидних. Ці ферменти діють на аміни і амідини. Діляться на п’ять підпідкласів. Наприклад, уреаза (карбамід – амідогідролаза, КФ 3.5.1.5) бактерійного походження:
NH2–CO–NH2 + H2O = CO2 + 2NH3
В м’язовій тканині міститься АДФ-дезаміназа (АДФ – аміногідролаза, КФ 3.5.4.7), яка каталізує дезамінування АДФ:
АДФ + H2O = ІДФ + NH3
3.6. Гідролази, які діють на кислотоангідридні зв’язки. Підклас складається з семи підпідкласів. До нього відносяться фосфогідролази, що каталізують розщеплення ангідридів фосфорної кислоти. Зокрема, АТФ-аза (АТФ – фосфогідролаза КФ 3.6.1.3) каталізує реакцію:
АТФ + H2O = АДФ + Н3РО4
3.7. Гідролази, які діють на С–С-зв’язки. Вони гідролізують зв’язки в основному у кетосполуках. Сюди належить оксалоацетаза (оксалоацетат – ацетилгідролаза, КФ 3.7.1.1). вона розщеплює оксалоацетат:
До інших підкласів гідролаз належать ферменти, що діють на галоїдні зв’язки (3.8), фосфор-азотні зв’язки (3.9), сірка-азотні зв’язки (3.10), і вуглець-фосфорні зв’язки (3.11), які мають важливе значення в обміні багатьох сполук в організмах.
4. ліази
Ліази – це ферменти, що каталізують реакції негідролітичного відщеплення певних груп від субстратів з утворенням подвійних зв’язків або реакції приєднання цих груп по подвійних зв’язках. Деякі ліази, на відміну від лігаз, здійснюють реакції синтезу окремих речовин без участі макроергічних сполук. Більшість ліаз – складні білки, що містять в молекулах фосфорні ефіри водорозчинних вітамінів. Клас складається з шести підкласів: вуглець-вуглець-ліази, вуглець-кисень-ліази, вуглець-азот-ліази, вуглець-сірка-ліази і вуглець-галоїд-ліази та ін.
4.1. Вуглець-вуглець-ліази. Ферменти, які здійснюють в основному розрив С–С-зв’язків. В підклас входять три підпідкласи: карбокси-ліази, альдегід-ліази і ліази кетокислот. Типовим представником є піруватдекарбоксилаза (карбокси-ліаза 2-оксокислот, КФ 4.1.1.1), яка здійснює декарбоксилування:
4.2. Вуглець-кисень-ліази. Їх часто називають гідроліазами, або дегідратазами (гідратазами). Самим вивченим ферментом підкласу є карбонат-дегідратаза, або карбоангідраза (карбонат – гідро-ліаза, КФ 4.2.1.1), що каталізує реакцію:
H2CO3 = CO2 + H2O
4.3. Вуглець-азот-ліази. Це ферменти, які здійснюють відщеплення від певних субстратів аміаку або амідинових груп. Наприклад, аспартат – аміак-ліаза (L-аспартат –аміак-ліаза, КФ 4.3.1.1) дезамінує аспартат:
Фермент аргініносукцинат-ліаза (L-аргініносукцинат – аргінін-ліаза, КФ 4.3.2.1) розкладає аргінінянтарну кислоту:
4.4. Вуглець-сірка-ліази. Це ферменти, за допомогою яких розщеплюється зв’язок між вуглецем і сіркою. Прикладом є цистеїндесульфгідраза (L-цистеїн:сірководень-ліаза (дезамінуюча), КФ 4.4.1.1), що каталізує реакцію:
До інших підкласів ліаз належать також вуглець-галоїд-ліази (4.5) і фосфор-кисень-ліази (4.6). Із інших ліаз (4.99) відомий такий фермент, як феррохелатаза (4.99.1.1), що каталізує включення заліза в молекулу гема.
5. ізомерази
Ці ферменти каталізують реакції внутрішньомолекулярного переміщення різних груп органічних речовин. Складаються з п’яти підкласів.
5.1. Рацемази і епімерази. Каталізують реакції інверсії асиметричних груп в молекулах різних речовин. Розрізняють чотири підпідкласи: рацемази і епімерази амінокислот і їх похідних, оксикислот і їх похідних, вуглеводів і їх похідних і інших сполук. Ферменти, що здійснюють реакції ізомеризації в субстратах з одним асиметричним атомом, називають рацемазами. До них слід віднести бактерійні ферменти, які перетворюють L-амінокислоти в D-амінокислоти, зокрема аланінрацемазу (аланінрацемаза, КФ 5.1.1.1):
Ферменти, що здійснюють перетворення субстратів з декількома асиметричними атомами вуглецю, називаються епімеразами. Так, УДФ-глюкозоепімераза (УДФ-глюкозо – 4-епімераза, КФ 5.1.3.2) в тканинах молочної залози ізомеризує УДФ-глюкозу в УДФ-галактозу, яка необхідна для біосинтезу лактози (за участі НАД і іонів Mg2+):
УДФ-глюкоза « УДФ-Галактоза
5.2. Цис-транс-ізомерази. Ці ферменти змінюють геометричну конфігурацію органічних сполук, що містять подвійні зв’язки. Зокрема, малеїнатізомераза (малеїнат – цис-транс-ізомераза, КФ 5.2.1.1) здійснює перетворення:
5.3. Внутрішньомолекулярні оксидоредуктази. Ці ферменти каталізують взаємні перетворення альдоз і кетоз. З їх участю окислюються –CH–ОН-групи, одночасно відновлюється сусідня СО-група. Так, тріозофосфатізомераза (D-гліцеральдегід-3-фосфат – кетол-ізомераза, КФ 5.3.1.1) каталізує реакцію:
5.4. Внутрішньомолекулярні трансферази. Ці ферменти часто називають мутазами. Вони переносять певні групи з однієї частини молекули на іншу. Так, під впливом фосфогліцерат-фосфомутази (D-фосфогліцерат – 2,3-фосфомутази, КФ 5.4.2.1) відбувається реакція:
5.5. Внутрішньомолекулярні ліази. До ферментів, що каталізують внутрішньомолекулярні перетворення ліазного типу, відноситься муконат-циклоізомераза (4-карбоксиметил-4-оксиізокротонолактон – ліаза (дециклізуюча), КФ 5.5.1.1), що каталізує реакцію:
(+)-4-карбоксиметил-4-окси-ізокротонолактон = Цис-цис-муконат
6. лігази (синтетази)
Ці ферменти каталізують реакції з’єднання двох молекул та реакції спряжені з відщепленням залишків фосфорної кислоти від АТФ або її аналогів. Термін „лігази” застосовують також до ферментів, що каталізують реакції синтезу без нуклеозидтрифосфатів. Вони сприяють утворенню хімічних зв’язків, що власне і є причиною їх назви (від лат. ligare – зв’язувати). Механізм реакцій складний. Він є або трьохстадійним перенесенням, або утворенням потрійних комплексів. Кофакторами багатьох лігаз є біотин і його похідні. Число лігаз, відомих зараз, досягає 100.
6.1. Лігази, які утворюють С–О-зв’язки. До підкласу належать ферменти, що каталізують приєднання амінокислот до відповідних тРНК. Число лігаз відповідає кількості амінокислот, які використовуються для біосинтезу молекул білків. Утворюються аміноацил-тРНК. Так, тирозил-тРНК – синтетаза (L-тирозин: тРНК – лігаза (АМФ), КФ 6.1.1.1) за наявності іонів Mg2+ і K+ каталізує реакцію
АТФ + L-Тирозин + тРНК = АМФ + Пірофосфат + L-Тирозил-тРНК
6.2. Лігази, які утворюють С–S-зв’язки. Ці ферменти здійснюють утворення С–S-зв’язків між залишками жирних кислот і KoA. Зв’язок макроергічний. Активований залишок жирної кислоти залучається до всіляких реакцій синтезу або розщеплення. Так, під впливом ацетил-KoA – синтетази (ацетат: KoA – лігази (АМФ), КФ 6.2.1.1) і за наявності іонів Mg2+ в різних тканинах протікає реакція
АТФ + Ацетат + KoA = АМФ + Пірофосфат + Ацетил-КоА
6.3. Лігази, які утворюють С–N-зв’язки. Підклас складається з п’яти підпідкласів: амідсинтетази, пептидсинтетази, циклолігази, інші С–N-лігази і С–N-лігази з глутаміном в ролі N-донора. Особливе значення мають пептидсинтетази, під впливом яких з амінокислот синтезуються пептиди. Наприклад, g-глутамілцистеїнсинтетаза (L-глутамат:L-цистеїн – лігаза (АДФ), КФ 6.3.2.2) в тканинах печінки за наявності іонів Mg2+ каталізує реакцію утворення дипептида:
АТФ + L-Глутамат + L-Цистеїн = АДФ + Ортофосфат + g-L-глутаміл-L-цистеїн
6.4. Лігази, які утворюють С–С-зв’язки. З цього підкласу найбільш детально вивчена карбоксилаза, що каталізує реакцію карбоксилування. Так, під впливом піруваткарбоксилази (піруват: CO2 – лігази (АДФ), КФ 6.4.1.1) в тканинах за наявності іонів Mg2+ з піровиноградної кислоти і вуглекислого газу утворюється щавелевооцтова кислота:
АТФ + СН3–СО–СООН + СО2 + Н2О = НООС–СН2–СО–СООН + АДФ + Н3РО4
Другий фермент цього підпідкласу ацетил-КоА – карбоксилаза (ацетил-КоА:CO2 – лігаза (АДФ), КФ 6.4.1.2) каталізує утворення з ацетил-КоА і СО2 малоніл-КоА – проміжного продукту біосинтезу вищих жирних кислот:
АТФ + Ацетил-КоА +СО2 + Н2О = АДФ + Ортофосфат + Малоніл-КоА
Класифікація і номенклатура ферментів у ході розвитку біохімії і в результаті відкриття нових ферментів постійно удосконалюються, а їх число з кожним роком збільшується.
Взаємозв’язок між ферментами
Обмін речовин в організмі каталізується поліферментними системами, в які входять ферменти, що належать до всіх шести класів. Між ферментами існує взаємозв’язок, спадкоємність і послідовність. Для нормального протікання обмінних процесів необхідні оптимальні умови ферментативного каталізу. Відсутність одного з ферментів системи спричиняє за собою порушення обміну речовин організму в цілому.
Зв’язок між ферментами може носити різний характер. Наприклад, в порожнині шлунку під впливом пепсину починається розщеплення білків продуктів харчування, надалі ці процеси продовжуються, завершуючись в тонкій кишці внаслідок дії ферментів трипсина, хімотрипсина, амінополіпептидаз, карбоксиполіпептидаз, три- і дипептидаз. Часто система зв’язку між ферментами створюється за допомогою проміжних продуктів реакції, причому продукт, що виник в результаті діяльності одного ферменту, є субстратом для наступного ферменту. Прикладами може бути анаеробна фаза розщеплення вуглеводів, цикл трикарбонових кислот, b-окислення жирних кислот, орнітиновий цикл утворення сечовини та ін. Продукти реакції одного ферменту в надлишку можуть гальмувати його активність або активність іншого ферменту. Так, надлишок молочної кислоти в середовищі гальмує активність ЛДГ. Такий вид гальмування діяльності ферментів називається субстратним, оскільки фермент, який сприяє утворенню субстрата, сам виявляється заблокованим. Якщо субстрат гальмує активність ключового ферменту, яким починається метаболічний цикл, таке гальмування називається ретроградним. Так, надлишок молочної кислоти – одного з головних кінцевих продуктів анаеробного глікогенолізу або гліколізу, гальмує діяльність гексокінази, з якої починається розпад глікогену або глюкози. Виникає гальмування діяльності ферменту за принципом зворотного зв’язку.
Існує спадкоємність в діяльності ферментів різних класів. Так, поживні речовини під впливом гідролаз травних соків розщеплюються на прості речовини (монози, гліцерин, жирні кислоти, амінокислоти і т.д.). Вони поступають у кровоносну систему, потім – до органів, тканини і клітини. В клітинах під впливом різних лігаз з них утворюються речовини, необхідні для пластичних, захисних, регуляторних, енергетичних і інших потреб. Такі ферменти прийнято називати регуляторними. Вони зазвичай розміщені на початку мультиферментної системи. Продукт ферментативної реакції в даному випадку діє як алостеричний інгібітор.
У ряді випадків взаємозв’язок ферментів між собою здійснюється генетично, тобто кодується генетичною інформацією, закладеною в молекулі ДНК, і передається через синтез ферментативних білків. Окремі ферменти можуть синтезуватися в клітинах під впливом певного субстрату. На відміну від конституційних ферментів, які завжди присутні в клітині, ці ферменти називають адаптивними, або індуцибельними. Вони синтезуються в клітині у результаті депресії генів, що не допускає утворення цих ферментів, як відповідь на появу в середовищі індуктора-субстрату. Іноді наступає дерепресія синтезу групи ферментів, оскільки дерепресується група генів, розміщених в частині молекули ДНК, відповідальної за синтез цих білків, – опероні.
Ферменти в народному господарстві, медицині, ветеринарії і зоотехнії
Ферменти широко використовуються в народному господарстві. Так, в хлібопеченні застосовують ферментативні препарати, які покращують якість і аромат хліба. Дозрівання тіста прискорюється на 30%, а витрата цукру на виготовлення булочних виробів зменшується в 2 рази. В шкіряному і хутряному виробництві застосовуються препарати пептидогідролаз, які прискорюють видалення шерсті із шкіри і розм’якшення її у декілька разів, а також підвищують сортність і якість шкіри і хутра. Лізоцим застосовується як консервант коров’ячого молока та ікри осетрових риб. Глюкозооксидаза використовується як антиокислювач при зберіганні м’яса, фруктових соків, непастеризованих пива і вина. Використання препарату бактерійної амілази дає можливість зменшити витрату ячменю на виробництво одного декалітра пива на 165 г.
У медицині і ветеринарії широко застосовується ензимодіагностика. Так, багато захворювань печінки (жовтяниця, гепатити, цирози) діагностуються по збільшенню в крові вмісту лужної фосфатази. При різних захворюваннях печінки в крові збільшується вміст альдолази і трансамінази і різко зменшується вміст амілази. Поява в сечі і крові ізоферментів ЛДГ4 і ЛДГ3 може бути ознакою деяких захворювань нирок, ізофермента ЛДГ3 – легень. При інфаркті міокарду в крові зростає вміст амінотрансфераз і альдолази.
Багато ферментів застосовуються з терапевтичною метою. Так, препарат трипсину в поєднанні з антибіотиками використовується при лікуванні хронічних виразок кінцівок, карбункулів, фурункулів, панариціїв (запалення нігтьового ложа) і піодермії (гнійне запалення шкіри). Панкреатична ДНК-аза застосовується при лікуванні деяких респіраторних захворювань. Гіалуронідаза застосовується в невеликих дозах для прискорення всмоктування різних ліків, що вводяться підшкірно. Препарати гіалуронідази застосовуються в хірургії, в офтальмології, тваринництві, гінекології. Вони використовуюся для розсмоктування гематом, ексудатів і транссудатів. Для руйнування тромбів часто використовують фібринолізин. Аспарагіназа, яка розщеплює аспарагін, необхідний для синтезу білків раковими клітинами, застосовується при лікуванні злоякісних утворень.
Лекція № 8. Гормони.
Загальна характеристика гормонів
Гормони – це біологічно активні речовини, які синтезуються залозами внутрішньої секреції і виділяються безпосередньо в кров, лімфу або ліквор. Наука про залози внутрішньої секреції називається ендокринологією.
За хімічною природою гормони є білками (інсулін), пептидами (окситоцин), стероїдами (андростерон), похідними амінокислот (тироксин), фенолами (адреналін). Гормони володіють високою біологічною активністю в дозах 10-3 і навіть 10-6 мг. В організмі тварин за добу синтезується декілька міліграмів або часток міліграмів окремих гормонів. Концентрація їх вимірюється частками грама (10-6 – 10-9) на 100 мл крові. Гормони діють короткочасно і швидко руйнуються. Зазвичай гормони не володіють видовою специфічністю. Так, гормон, отриманий із залоз внутрішньої секреції будь-якого хребетного, має схожу фізіологічну дію.
Для більшості гормонів розшифрована будова їх молекул. Багато гормонів отримано в чистому вигляді (інсулін, фолікулін). Частина гормонів синтезована (адреналін, інсулін, кортизон та ін.). Для деяких були отримані синтетичні аналоги (синестрол). В тканинах виділені гормоноїди, або парагормони, – речовини, що володіють гормональною активністю, такі, як секретин, панкреозин, гепарин, гастрин та ін.
Діяльність залоз внутрішньої секреції контролюється нервовою системою (схема 1).
Схема 1. Діяльність залоз внутрішньої секреції
Ще М.М. Чебоксаров (1910) встановив, що черевний нерв є секреторним нервом наднирників. У свою чергу, залози внутрішньої секреції впливають на діяльність нервової системи, у тому числі і кори великих півкуль.
Гормони різносторонньо впливають на багато реакцій обміну речовин – нуклеїнових кислот, білків, вуглеводів, ліпідів, мінеральних сполук. За характером дії гормони діляться на пускові і гормони-виконавці. До пускових відносяться нейрогормони гіпоталамуса та аденогіпофіза. Саме вони стимулюють діяльність відповідних залоз внутрішньої секреції. Гормони-виконавці безпосередньо діють на основні реакції обміну речовин організму, які забезпечують його ріст, розвиток, продуктивність, адаптацію, розмноження, діяльність та ін.
Механізм дії гормонів-виконавців повністю не з'ясований. Припускають три шляхи, по яких гормони діють на тканини і клітини:
зміна проникності клітинних мембран;
взаємодія гормонів з ферментами шляхом утворення оборотних алостеричних зв'язків;
вплив гормонів на генетичну інформацію з подальшою зміною синтезу ферментів.
Посередником між гормоном-виконавцем в одних випадках (білкові і пептидні гормони) служить цАМФ, в інших (стероїдні гормони) внутрішньоклітинні рецептори, в третіх (деякі інші гормони і гормоноїди) – недостатньо вивчені речовини. Через посередників молекула гормону впливає на характер і перебіг різних ферментативних реакцій.
В клініці часто зустрічаються гормональні порушення – гіпо- і гіперфункції залоз внутрішньої секреції.
Гормони в організмі знаходяться в зв'язаному і вільному стані. Між дією різних гормонів існує взаємозв'язок. Так, окремі гормони за своєю дією можуть бути синергістами (соматотропін і тироксин) або антагоністами (інсулін і глюкагон). Відомо близько 100 гормонів і гормоноїдів, які класифікують за будовою, функціями і місцем утворення. Ми розглядаємо класифікацію за місцем утворення, як найпоширенішу.
Гормони гіпоталамуса
Гіпоталамус здійснює зв'язок між центральною нервовою системою і залозами внутрішньої секреції. 32 пари ядер гіпоталамуса беруть участь в регуляції функцій і обміну речовин організму. Регуляція здійснюється нейрогуморальним шляхом. Від нервових центрів гіпоталамуса у відповідні відділи центральної нервової системи відходять пучки нервових волокон. У клітинах багатьох нервових центрів синтезуються гормони, які через кровоносне русло, лімфу і ліквор прямують до клітин відповідних залоз внутрішньої секреції – клітин-мішеней і, в першу чергу, гіпофіза (схема 1).
Хімічна природа. В ядрах гіпоталамуса синтезується, принаймні, сім стимуляторів (рилізинг-факторів) і три інгібітори (рилізинг-гальмуючі фактори) інкреції гормонів гіпофіза. Для деяких з них була вивчена структура і здійснений синтез, інші знаходяться на різних стадіях вивчення.
Тироліберин (тиротропін-рилізинг фактор, ТРФ) має будову Піроглу-Гіс-Про-NH2:
Люліберин (рилізинг-фактор лютеїнізуючого гормону, ЛРФ) має складнішу будову:
Піроглу-Гіс-Три-Сер-Тир-Глі-Лей-Арг-Про-Глі-NН2.
Соматостатин (соматотропін-рилізинг-гальмуючий фактор РГ-РФ,) має таку будову:
Біосинтез. Гормони синтезуються рибосомальним і нерибосомальним шляхом. Біосинтез регулюється центральною нервовою системою і гуморально. Гуморальна регуляція здійснюється гормонами периферичних ендокринних залоз за принципом зворотного зв'язку. Молекули гормонів нагромаджуються в синаптосомах, потім поступають в капіляри портальної системи, після чого впливають на клітини-мішені.
Метаболізм. Питання обміну гормонів вивчені мало. Період біологічного напівжиття молекули тироліберина, що характеризує швидкість його обміну, в крові щура складає близько 4 хв. Інактивація здійснюється відповідними пептидгідролазами. Амінокислоти, що утворюються, використовуються клітинами для різних цілей.
Біологічна дія. Мішенню гормонів є клітини передньої і середньої частин гіпофіза. Припускають, що молекула відповідного гормону спочатку в зовнішній мембрані клітини-мішені активує фермент аденілатциклазу. В результаті утворюється цАМФ, який бере участь в передачі гормонального сигналу. Потім активується діяльність цАМФ-залежної протеїнкінази, синтезуються молекули гормону-виконавця. Активність ферментних систем супроводжується дисоціацією комплексу Са2+–АТФ або Mg2+–АТФ: виділяються катіони і АТФ.
Змінюється порозність мембран. Синтезовані гормони поступають у кровоносне русло, а з нього – до різних органів і тканин.
Патологія. Біосинтез гормонів порушується при багатьох хворобах, особливо центральної нервової і ендокринної систем.
Застосування. Ці гормони поки не отримали належного застосування через недостатнє їх вивчення.
Гормони гіпофіза
Гіпофіз – найважливіша залоза внутрішньої секреції. Разом з гіпоталамусом утворює єдину морфофізіологічну систему, яка регулює різні сторони обміну речовин. Гіпофіз складається з трьох частин: передньої, середньої і задньої. В них синтезується ряд життєво важливих гормонів.
А. Гормони передньої частини гіпофіза (аденогіпофіза).
До гормонів передньої частини гіпофіза належить обширна група різноманітних за біологічною дією і хімічною будовою гормонів.
Соматотропін (гормон росту, соматотропний гормон, СТГ). Соматотропін був відкритий в екстракті гіпофіза Г. Евансом і Дж. Лонгом у 1921 р.
Хімічна природа. Соматотропін належить до білків з невисокою молекулярною масою – 21500 – 46000. Молекула білка складається з одного поліпептидного ланцюга і містить два дисульфідних містки. Активність гормону значною мірою пов'язана з e-аміногрупою лізину і залишками тирозина. Кінцевими групами соматотропіна є залишки фенілаланіна. Гормон володіє властивостями глобулінів, термолабільний, ізоелектрична точка знаходиться близько 6,8, містить 15,6% азоту.
Біосинтез. Гормон синтезується в ацидофільних клітинах передньої частини гіпофіза з амінокислот, які поступають з током крові. Синтез протікає типово для білка.
Біологічна дія. Соматотропін багатогранно діє на всі види обміну речовин. Він активує діяльність ДНК-полімераз. У клітинах зростає біосинтез іРНК і рРНК. Підвищується проникність для амінокислот і інтенсивність біосинтезу білків, зростає мітотичне ділення клітин, посилюється хондріо- і остеогенез, біосинтез глікогену і мобілізація жирів з жирових депо, відкладення кальцію і фосфору в кістках. Він стимулює засвоєння тканинами моноз та проявляє діабетогенну дію.
Патологія. Надмірна продукція гормону в ранньому віці призводить до гігантизму. У людей гігантами називають чоловіків, ріст яких перевищує 200 см, жінок – вище 190 см. Найвища людина, описана в літературі, мала зріст 320 см. Надмірне виділення соматотропіна у дорослих призводить до захворювання – акромегалії, коли у хворих непропорційно збільшуються окремі частини тіла (стопа, кисть, щелепа, губи, ніс). Недостатня продукція гормону в ранньому віці призводить до нанізму – низький ріст і малі розміри тіла (у людини – зріст нижче 120 – 130 см).
Застосування. Гормон використовується як діабетогенний засіб.
Пролактин (лактотропний гормон, маматропін, лактотропін, ПРЛ). Пролактин був виділений з екстракту гіпофіза в 1933 р. Регулює материнський інстинкт, розвиток і функціонування молочної залози.
Хімічна природа. Пролактин відноситься до білків з молекулярною масою 23000 – 24000, термолабільний, ізоелектрична точка – 5,73. У 1969 р. встановлена первинна структура пролактина: послідовність амінокислотних залишків в молекулі пролактина овець, а пізніше – в гормоні великої рогатої худоби.
Біосинтез. Пролактин синтезується з амінокислот в ацидофільних клітинах. Утворення гормону регулюється гормоном гіпоталамуса пролактоліберином. Гормон виділяється в кровоносну систему і ліквор, потім доставляється до клітин-мішеней.
Метаболізм. Після прояву біологічної дії пролактин піддається звичайним перетворенням які типові для проміжного і кінцевого обміну білків.
Біологічна дія. Утворення пролактина стимулюється актом смоктання. Нервові імпульси поступають в центральну нервову систему і гіпоталамус. При цьому активізується біосинтез пролактоліберина, під впливом якого зростає утворення пролактина. З током крові гормон поступає в молочну залозу, де його молекули зв'язуються із спеціальними рецепторами мембран альвеол. Активуються РНК-синтетази, протеїнкінази й інші ферменти. Індукується синтез казеїногена і інших білків, лактози і ліпідів. Пролактин бере участь в регуляції водно-сольового обміну. Його дія зв'язана з діяльністю інших гормонів – естрогену і гестагенів. Пролактин стимулює також розвиток жовтого тіла.
Патологія. При руйнуванні ацидофільних клітин слабшає і припиняється виділення гормону.
Застосування. Пролактин застосовують при зниженій секреції молочної залози в післяпологовий період.
Фолітропін (фолікуло-стимулюючий гормон, ФСГ). Фолітропін – гонадотропний гормон, у самок стимулює ріст і дозрівання фолікул яєчників, у самців – розвиток сперматогенного епітелію в сім’яниках і сперматогенез.
Хімічна природа. Фолітропін належить до складних білків-глікопротеїдів з молекулярною масою до 67 000, ізоелектрична точка – 4,5. Молекула фолітропіна містить азот, сірку, глюкозу і глюкозамін.
Біосинтез. Гормон синтезується в базофільних клітинах з амінокислот, глюкози і глюкозаміну. Утворення гормону регулюється гіпоталамічним фактором – фоліберином.
Метаболізм. Синтезований гормон поступає в ліквор і кровоносну систему, доставляється до клітин-мішеней; після прояву біологічної дії руйнується.
Біологічна дія. Основними клітинами, на які діє фолітропін, є клітини фолікулів і сперматогенного епітелію. Інтенсивність виділення гормону залежить від фаз статевого циклу. Спільно з лютропіном стимулює біосинтез естрогену і частково андрогенів. Володіє біохімічною і імунологічною специфічністю.
Патологія. При руйнуванні базофільних клітин у результаті пошкодження гіпофіза пухлинами або різними інтоксикаціями утворення гормону припиняється.
Застосування. Застосовують аналог фолітропіна – сироватковий гонадотропін крові для стимуляції овуляції або як засіб лікування німфоманії та ін.
Лютропін (лютеїнізуючий гормон, ЛГ). Лютропін – гонадотропний гормон, стимулює у самок ріст фолікулів, їх дозрівання, овуляцію і утворення жовтого тіла.
Хімічна природа. Лютропін відноситься до складних білків-глікопротеїдів з молекулярною масою від 40000 до 100000. Молекула лютропіна містить тирозин, триптофан і глюкозамін.
Біосинтез. Гормон синтезується в базофільних клітинах з амінокислот і глюкозаміна. Утворення гормону регулюється гіпоталамічним фактором – люліберином.
Метаболізм. Синтезований гормон поступає в ліквор і кровоносну систему, доставляється в яєчник; після прояву біологічної дії руйнується.
Біологічна дія. Біологічна дія ЛГ виявляється після попереднього впливу на клітини фолікула ФСГ. ЛГ у самок викликає інтенсивний ріст фолікулів, стимулює овуляцію і утворення жовтого тіла; у самців – розвиток інтерстиціальної тканини сім’яників і синтез тестостерона. Біологічну дію ЛГ відображає схема (на схемі пунктирною стрілкою позначена тонічна секреція ЛГ, жирною – овуляторна хвиля ЛГ):
Патологія. При недостатній секреції гормону виникають розлади менструального циклу. Відбувається патологічне збільшення розмірів фолікулів, які не можуть овулювати.
Застосування. Препарати застосовують для стимуляції статевих функцій у інфантильних самок і самців.
Кортикотропін (адренокортикотропний гормон, АКТГ). Гормон стимулює діяльність кори наднирників.
Хімічна природа. АКТГ – нерозгалужений поліпептид, що складається з 39 амінокислотних залишків. Має молекулярну масу 4500. Біологічна активність гормону обумовлена 24 амінокислотними залишками з N-кінцевої ділянки молекули. Решта 15 амінокислотних залишків визначає видові і імунологічні особливості гормону. Вивчено будову АКТГ бика, людини, вівці і свині.
Біосинтез. АКТГ виділяється базофільними клітинами передньої частини гіпофіза у відповідь на роздратування, що приводять організм у стан напруги. Біосинтез АКТГ знаходиться під контролем гормону гіпоталамуса кортиколіберина. Синтез АКТГ протікає звичайним для всіх білків шляхом.
Метаболізм. Синтезований гормон поступає в ліквор і кровоносне русло, потім досягає клітин-мішеней, на які і впливає. Концентрація АКТГ в крові визначається рівнем у ній гормонів кори наднирників. При збільшенні їх вмісту виділення АКТГ зменшується, а при зменшенні – зростає. Після прояву біологічної дії АКТГ швидко розщеплюється відповідними ферментами.
Біологічна дія. АКТГ стимулює ранні етапи біосинтезу гормонів кори наднирників, знижує вміст холестерину в організмі і збільшує його концентрацію в корі наднирників. АКТГ активує ліази, які здійснюють відщеплення від молекули холестерину бічного ланцюга між 20-м і 22-м атомами вуглецю, утворюючи основу ядра для молекул кортикостероїдів. Він активує гідроксилази, сприяючи введенню кисню в 17-е положення вуглецю. АКТГ посилює проникнення глюкози в клітини кори і реакції пентозного циклу, стимулює асиміляцію вітаміну С тканинами наднирників. Пентозний цикл дає можливість клітинам отримати достатню кількість НАД∙Н2 і НАДФ∙Н2, які необхідні для біосинтезу молекул гормонів з ядра холестерину і ацетатів. АКТГ є стимулятором ліпаз, фосфорилаз та інших ферментів. Він проявляє жиромобілізуючу і меланоцитактивуючу здатність. З діяльністю АКТГ пов'язана мобілізація захисних сил організму при різних шкідливих діях: стресах, травмах, інфекціях, токсикозі. АКТГ – антагоніст соматотропіна і пролактина.
Патологія. Біосинтез АКТГ порушується при багатьох захворюваннях, пов'язаних з ушкодженням передньої частини гіпофіза. При цьому зменшується виділення АКТГ і порушуються реакції обміну речовин, в яких він бере участь.
Застосування. АКТГ застосовується як гормональний препарат при недостатній діяльності кори наднирників, лікуванні ревматизму, поліартритів, подагри, екземи, астми, алергій і т.д.
Тиротропін (тиротропний гормон, ТТГ). Гормон стимулює розвиток і діяльність щитовидної залози. Відкритий П. Смітом і Дж. Смітом у 1922 р. як речовина екстракту гіпофіза, що запобігає атрофічному переродженню щитовидної залози.
Хімічна природа. Тиротропін належить до складних білків – глікопротеїдів з молекулярною масою 23000 – 32000, добре розчиняється у воді, ізоелектрична точка рівна 8, інактивується під впливом пепсину, трипсину і хімотрипсину. Молекула тиротропіна складається з a- і b-субодиниць. a-Субодиниця має однакову будову не тільки у різних гормонів (ЛГ і ТТГ), але і у гормонів різних видів тварин. Вони відрізняються лише структурою вуглеводної частини молекули. Специфічна біологічна активність гормону визначається властивостями b-субодиниці. Проте ця активність виявляється тільки після з'єднання a- і b-субодиниць.
Біосинтез. Синтез тиротропіна контролюється центральною нервовою системою і гормоном гіпоталамуса тироліберином. При збільшенні в крові концентрації тиреоїдних гормонів синтез тиротропіна гальмується за принципом негативного зворотного зв'язку: в гіпоталамусі зменшується синтез тироліберина, в гіпофізі – тиротропіна, в щитовидній залозі – тироксина.
Біологічна дія. Тиротропін стимулює ріст і розвиток епітелію фолікул щитовидної залози, активізує діяльність органоїдів, що беруть участь в біосинтезі її гормонів. Механізм його впливу на діяльність щитовидної залози складається з декількох етапів: спочатку гормон активує утворення цАМФ, вона, у свою чергу, біосинтез тиреоглобулінів. Тиротропін сприяє „захопленню” йоду клітинами фолікул і розщепленню тиреоглобулінів на окремі гормони і білковий залишок.
Гормон стимулює, поглинання кисню клітинами щитовидної залози і підвищує їх проникність для моносахаридів, амінокислот і інших речовин.
Патологія. При захворюваннях передньої частини гіпофіза (особливо при пухлинах і токсикозі) сповільнюється і припиняється синтез гормону. Наступає гальмування і припинення біосинтезу тиреоїдних гормонів. Це приводить до патологічних порушень типу мікседеми і зобу.
Застосування. Тиротропін застосовують при лікуванні захворювань щитовидної залози з порушенням її функцій.
Б. Гормони середньої частини гіпофіза
Середня частина гіпофіза утворена епітеліальними клітками. З віком середня частина збільшується в основному за рахунок базофільних клітин. Порожнина між передньою і середньою частинами заповнена колоїдом.
З гормонів середньої частини гіпофіза вивчений один – меланотропін.
Меланотропін (меланоцитстимулюючий гормон, МСГ). Гормон був відкритий як речовина, що регулює пігментацію шкіри.
Хімічна природа. Меланотропін – поліпептид, що складається з 13 – 22 амінокислотних залишків, має молекулярну масу близько 2 тис. Водні розчини гормону дають кольорові реакції, характерні для білків. Одержують гормон з лужних екстрактів гіпофізів великої рогатої худоби і свиней. Розрізняють два типи меланотропіна: a- і b-
CH3CO-Cep-Tиp-Cep-Meт-Глy-Гіc-Фeн-Apг-Tpи-Глі-Ліз-Пpo-Baл-NH2;
Структура a-меланотропіна
NH2-Acп-Глу-Глі-Про-Тир-Ліз-Мет-Глу-Гіс-Фен-Apr-Три-Глі-Сер-Про-Про-Ліз-Асп-ОН
Структура b-меланотропіна
a-Меланотропін зазвичай складається з 13 амінокислотних залишків, b-меланотропін – з 18. a-Меланотропін має однакову будову у різних видів тварин, а b-меланотропін володіє видовою специфічністю. Молекули всіх меланотропінів мають загальний гепталептид, відповідальний за активність гормону: -Мет-Глу-Гіс-Фен-Арг-Три-Глі-.
Біосинтез. Біосинтез гормону регулюється гормонами гіпоталамуса – меланоліберином і меланостатином. Гормон синтезується як типовий поліпептид.
Метаболізм. Гормон поступає в ліквор і кровоносну систему, розноситься по всьому організму де впливає на біосинтез шкірного пігменту меланіну. Після цього молекула гормону руйнується клітинними пептидгідролазами.
Біологічна дія. Меланотропін стимулює діяльність меланофорів: вони збільшуються в розмірах, ускладнюється структура їх відростків і галуження, під впливом гормону амінокислота тирозин перетворюється на меланін. Меланотропін активізує біосинтез світлочутливого пігменту сітківки ока родопсина, сприяє адаптації ока до темноти і підвищує гостроту зору.
Патологія. Причинами порушень можуть бути різні травми гіпофіза, пухлини, інфекційні хвороби, токсикоз.
Застосування. Препарат у вигляді розчину застосовується при лікуванні гемералопії, пігментної дегенерації сітківки ока і міотичного хоріоретиніта.
В. Гормони задньої частини гіпофіза (нейрогіпофіза)
Нейрогіпофіз складається з трьох зон. Зовнішня зона є аксонами нейронів гіпоталамуса і відростками гліоцитів. Центральна зона містить провідні шляхи нейросекреторної системи гіпоталамуса. Внутрішня зона складається з тіл питуїцитів, заповнених гормонами, і гліоцитів.
Гормони нейрогіпофіза – вазопресин і окситоцин – відомі тим, що в їх молекулі раніше, ніж в інших поліпептидах, була встановлена послідовність амінокислотних залишків, головним чином, завдяки класичним роботам Дю Віньо.
Вазопресин (адиуретин, антидиуретичний гормон, ВП, АДГ). Відкритий у 1895 р. як речовина гіпофіза, що підвищує кров'яний тиск.
Хімічна природа. Вазопресин відноситься до циклічних пептидів, складається з дев'яти амінокислотних залишків:
Молекулярна маса вазопресина – 1056, добре розчиняється у воді, дає кольорові реакції на тирозин і лізин, ізоелектрична точка рівна 10,85 – 10,9.
Біосинтез. Вазопресин синтезується в нейронах супраоптичного ядра гіпоталамуса з амінокислот, потім він по аксонах і клітинних відростках передається в задню частину гіпофіза, де і нагромаджується в пітуїцитах. Під впливом відповідних стимулів гормон поступає безпосередньо в кров. За типом негативного зворотного зв'язку при надлишку вазопресина його подальший синтез гальмується.
Метаболізм. Через кровоносну систему гормон розноситься по всьому організму. Після виконання своїх функцій вазопресин інактивується пептидгідролазами з утворенням амінокислот, які використовуються для різних потреб клітин.
Біологічна дія. Вазопресин діє на рецептори кровоносних судин: наступає їх звуження, підвищується кров'яний тиск, відбувається зворотне всмоктування води в ниркових канальцях, останнє послужило причиною ще однієї назви вазопресина – антидиуретичний гормон. Вважають, що гормон активує гіалуронідазу, яка розщеплює в клітинах надлишок гіалуронової кислоти і тим самим підвищує проникність клітинних мембран. Вазопресин бере участь у підтримці відносної постійності водно-сольового обміну в організмі.
Патологія. Порушення гормональної діяльності пов'язані з пошкодженням задньої частини гіпофіза (пухлини, травми, інфекції, отруєння). У хворих виникає нецукровий діабет. Кількість сечі, що виділяється за добу, зростає в п'ять і навіть більше разів.
Застосування. Препарати вазопресина застосовують для нормалізації кров'яного тиску і при лікуванні нецукрового діабету.
Окситоцин (оцитоцин, ОКСТ). Гормон був відкритий у 1895 р. в екстракті гіпофіза.
Хімічна природа. Окситоцин є циклічним пептидом, що складається з дев'яти амінокислотних залишків:
Молекулярна маса гормону складає 1 тис. Гормон добре розчиняється у воді, ізоелектрична точка рівна 7,7. За своїм амінокислотним складом окситоцин схожий з вазопресином. Окситоцин більшості тварин ідентичний по амінокислотному складу. Заміна в окситоцині залишку тирозина залишком фенілаланіна призводить до втрати активності гормону на 95%, ізолейцина валіном – на 65%, ізолейцина лейцином – на 100%.
Біосинтез. Гормон синтезується в клітинах паравентрикулярного ядра гіпоталамуса, потім переміщується в задню частку гіпофіза і нагромаджується в пітуїцитах. Пітуїцити підходять близько до капілярів і через них гормон поступає в кров.
Метаболізм. Обмін окситоцина протікає аналогічно обміну вазопресина.
Біологічна дія. Гормон підвищує тонус гладкої мускулатури, особливо матки. Ці процеси пов'язані з впливом гормону на проникність мембран м'язових волокон для іонів К+, зниженням їх мембранного потенціалу і збільшенням збудливості. Під час вагітності активність гормону послаблюється в результаті ферментативного його розщеплення. В передпологовий період і під час пологів активність ацетилхолінестерази пригнічується, зростає збудливість м'язів матки і їх скоротність. Після пологів чутливість м'язів матки до гормону різко падає. Крім того, гормон стимулює активність міоепітелія молочної залози і біосинтез пролактина. Окситоцин інактивується прогестероном.
Патологія. Причинами зниженої інкреції гормону є травми, пухлини, загибель клітин задньої частини гіпофіза при деяких інфекційних, інвазивних і незаразних хворобах.
Застосування. Препарат гормону застосовують при гіпотонії мускулатури матки, слабих потугах під час пологів, затримці посліду, ендометритах та ін.
Гормони епіфіза
Епіфіз – це невелика залоза внутрішньої секреції, вона розміщена між мозочком і півкулями головного мозку. Основу епіфіза складають пінеальні і гліальні клітини. Тут синтезується декілька гормонів: мелатонін, 8-аргінінвазотоцин, гонадотропін-гальмуючі субстанції та деякі інші.
Мелатонін. Мелатонін відноситься до найбільш вивчених гормонів епіфіза. Відкритий у 1917 р. як речовина, що впливає на пігментацію шкіри.
Хімічна природа. Мелатонін – О-метилпохідне індола.
Біосинтез. Місцем утворення гормону є пінеальні клітини. Він синтезується з триптофана через ряд проміжних продуктів:
Метаболізм. Синтезований гормон поступає в кровоносну систему і розноситься по всьому організму. Після припинення біологічної дії відповідними ферментами інактивується. Продукти розпаду виділяються з сечею (у вигляді тваринного індикана та ін.), потом, калом, видихуваним повітрям.
Біологічна дія. На відміну від меланотропіна впливаючи на меланофори гормон висвітлює шкіру. Він знижує статеву збудливість, гальмуючи відповідні гіпоталамічні центри, гальмує дію соматотропіна, тиротропіна і АКТГ.
Патологія. Гіперфункція епіфіза гальмує прояв статевих ознак. Руйнування епіфіза викликає передчасне статеве дозрівання.
Застосування. Гормон застосовується при лікуванні порушень статевого апарату.
Гормони щитовидної залози
Щитовидна залоза – найважливіший орган внутрішньої секреції. У різних тварин її розміри досягають 6 – 7 см, маса – 15 – 42 г. Швидкість кровотоку в щитовидній залозі в 100 разів більша, ніж у тазових кінцівках, у 46 разів більша, ніж у м'язах, і в 5,5 раз більша, ніж у нирках. Гормони синтезуються у фолікулах, порожнина яких заповнена колоїдом.
Тироксин. Е. Кендалл у 1915 р. виділив з гідролізата щитовидної залози речовину, що оберігає від розвитку зобу, і назвав його тироксином (3,5,3',5'-тетрайодтиронин). Ч. Харінгтон у 1926 р. встановив його структуру і здійснив синтез. Була також визначена структура аналогів тироксина.
Хімічна природа. Йодовані похідні амінокислоти тирозина.
Гормони існують в трьох формах: тиреоглобулін (основна форма), тироксин (циркулює в біологічних рідинах) і 3, 5, 3'-трийодтиронін (знаходиться в комплексі з білками плазми):
Тиреоглобулін – це глікопротеїд, містить вуглеводний компонент – гіалуронову кислоту. Молекулярна маса білка досягає 700 тис. Білок зв'язаний з тироксином і 3, 5, 3'-трийодтироніном. Йод складає 65% молекулярної маси тироксина. Зв'язаний тироксин знаходиться в стані динамічної рівноваги з вільним.
Біосинтез. Синтез гормонів регулюється гіпоталамічним фактором тироліберином і гормоном гіпофіза тиротропіном за принципом зворотного негативного зв'язку, оскільки підвищення в крові концентрації тироксина гальмує біосинтез цих гормонів, а зменшення – стимулює. На інтенсивність біосинтезу гормонів впливає наявність у поживних речовинах і воді достатньої кількості йоду, навколишня температура, загальний стан організму, пора року та ін. Білкова і вуглеводна частини тиреоглобуліну утворюються в рибосомальній фракції епітелію фолікул. Потім відбувається йодування амінокислотних залишків тирозина (іноді і фенілаланіна). Джерелом йоду служать йодиди. Йодування відбувається в декілька стадій (для простоти викладу узята амінокислота аланін):
Молекула тироксина утворюється в результаті окислювальної конденсації двох молекул 3,5-дийодтирозина:
Йодування відбувається в ендоплазматичній сітці епітелію фолікул.
Метаболізм. Гормони поступають в кров у результаті дії на тиреоглобулін протеолітичних ферментів. Цей процес контролюється тиротропіном. У крові йодвмісні гормони зв'язуються з білками плазми і у такому вигляді циркулюють в організмі. В крові міститься тироксина в 7 разів більше, ніж 3,5,3'-трийодтироніна. При контакті з клітинами-мішенями білки плазми, з якими зв'язані гормони, розщеплюються, і гормони виділяються в міжклітинну рідину. В клітинах основна маса гормонів сконцентрована в гіалоплазмі, менше їх в мітохондріях і рибосомах. Під час міграції гормонів у клітини відбувається їх дезамінування і декарбоксилування з утворенням йодованих тиреооцтової і тиреопіровиноградної кислот, які і здійснюють біологічну дію. Частина гормонів інактивується відщепленням йоду, розривом біциклів і утворенням ефірів з глюкуроновою кислотою. Інактивація гормонів відбувається, головним чином, у тканинах печінки. Ефіри тироксина виділяються з калом і сечею. Частина йоду знов залучається до синтезу щитовидною залозою, надлишок йоду виділяється з сечею, жовчю, іноді з потом, слиною і повітрям.
Біологічна дія. Гормони надзвичайно сильно впливають на загальний обмін речовин в організмі, посилюють реакції біологічного окислення, активують обмін нуклеїнових кислот, білків, ліпідів, вуглеводів, мінеральних сполук, прискорюють процеси росту і розвитку організму. Гормони посилюють моторику шлунку, утворення і всмоктування летких жирних кислот. Тироксин сприяє відновленню дисульфідних груп тіолових ферментів у сульфгідрильні. Під його впливом зростає активність гексокінази, СДГ, катепсинів, ферментів, які беруть участь в окислювальному фосфорилуванні, що забезпечує адаптацію організму до низьких температур шляхом роз'єднання реакцій клітинного дихання і окислювального фосфорилування. При цьому зменшується утворення АТФ і вивільняється більше тепла. Припускають, що в цих випадках тироксин зв'язує катіони фосфорилування.
Патологія. В клініці зустрічаються симптоми гіпо- і гіпертиреоза. Гіпофункція щитовидної залози або її атрофія у молодих організмах призводить до розвитку кретинізму (карликового росту) і порушення пропорцій тіла. У дорослих виникає мікседема. При цьому розвивається набряк шкіри, відбувається затримка води в тканинах, зменшується основний обмін, наступає загальна млявість, патологічне ожиріння і передчасне старіння. Якщо гіпофункція розвивається при недостачі йоду в їжі і воді, то розвивається ендемічний зоб: щитовидна залоза збільшується в розмірах, у молодих тварин затримується ріст і розвиток, у дорослих – різко падає рівень основного обміну, порушується статевий цикл, зменшується продуктивність, змінюється екстер'єр, погано розвиваються вторинні статеві ознаки, спостерігаються самовільні аборти.
Гіперфункція виявляється у вигляді базедової хвороби – дифузного токсичного зобу. Причини можуть бути різні: хронічні інтоксикації, інфекційні захворювання, сильні перегріви та ін. Під впливом гормонів збільшується проникність мембран клітин, особливо мітохондрій. Частина субстратів циклу Кребса виходить в гіалоплазму, де відбувається посилене утворення тепла і гальмується синтез АТФ. При цьому наступає швидка стомлюваність, погіршується апетит, знижується рівень продуктивності, з'являється понос, витрішкуватість та ін. Порушуються всі види обміну речовин. Розвиваються явища токсикозу.
Застосування. Для профілактики і лікування ендемічного зобу в раціон вводиться йодована кухонна сіль (25 г KJ на 1 т солі). Для лікування зобу застосовують препарат щитовидної залози боєнського походження – тиреоїдин. При гіпертиреозі застосовуються антагоністи гормонів:
В деяких випадках для лікування гіперфункціональних порушень застосовують 131J.
Кальцитонін (тиреокальцитонін). Гормон був відкритий в 1963 р. в тканинах щитовидної залози, володіє здатністю знижувати вміст кальцію в крові. Походження гормону (з щитовидної залози) відображено в другій його назві – тиреокальцитонін.
Хімічна природа. Кальцитонін відноситься до поліпептидів, складається з 32 залишків амінокислот:
NН2-Цис-Сер-Асп-(NН2)-Лей-Сер-Тре-Цис-Вал-Лей-Сер-Ала-Тир-Тир-Арг-
-Асп(NH2)-Лей-Асп(NH2)-Асп(NН2)-Фен-Гіс-Арг-Фен-Сер-Глі-Мет-Глі-
-Фен-Глі-Про-Глу-Тре-Про-СОNН2.
Біосинтез. У риб, амфібій, рептилій і птахів гормон синтезується не в щитовидній залозі, а в клітинах ультимобранхіальних тілець, які розвиваються з останніх бранхіальних дуг; у ссавців – в С-клітинах інтерфолікулярних острівців щитовидної залози рибосомальним шляхом.
Метаболізм. Синтезований гормон поступає в кровоносне русло, вступає в контакт з a-глобулінами і з током крові доставляється в кісткову тканину. Може проникати в ліквор. Після прояву біологічної дії інактивується ферментами.
Біологічна дія. Гормон сприяє переходу кальцію з крові в кісткову тканину, підтримує постійний рівень у крові не тільки кальцію, але і фосфору, активує діяльність лужної фосфатази, посилює виділення фосфатів з сечею. Є антагоністом паратгормона.
Патологія. При пухлинах і інших захворюваннях, пов'язаних з атрофією щитовидної залози, синтез гормону уповільнюється і припиняється. Розвиваються патологічні явища, пов'язані з порушенням його функцій.
Застосування. Гормональний препарат застосовується при лікуванні захворювань кісткової системи і зубів (пародонтоза).
Гормон паращитовидної залози
Паращитовидні залози – невеликі епітеліальні утворення, розташовані у вигляді однієї – двох пар на поверхні щитовидної залози. Виробляють гормон, який є одним з основних регуляторів обміну кальцію і фосфору в організмі – паратгормон (паратирин).
Паратгормон. Хімічна природа. Паратгормон є поліпептидом, складається з 75 – 80 амінокислотних залишків з молекулярною масою в середньому 8500, добре розчиняється у воді, ізоелектрична точка рівна 4,8 – 6.
Біосинтез. Гормон синтезується в головних клітинах паращитовидної залози з амінокислот. Головні клітини функціонують циклічно. В неактивному стані вони мають великі розміри, багаті глікогеном, містять мало гранул гормону. В активному стані клітини зменшуються в розмірах, у них збільшуються розміри комплексу Гольджі, зникають запаси глікогену, зростає число гранул гормону.
Метаболізм. Синтезований гормон поступає в кровоносне русло, розноситься по всьому організму де і проявляє свою біологічну дію на реакції обміну речовин. Після цього інактивується пептидгідролазами.
Біологічна дія. Паратгормон підвищує вміст кальцію і знижує вміст фосфору в крові, забезпечує всмоктування кальцію в кишках, впливає на концентрацію кальцію в позаклітинній рідині, на згортання крові, процес збудливості кліток, проникність клітинних мембран, м'язову, нервову і судинну системи. Між паратгормоном і вітаміном D існує зв'язок, оскільки із збільшенням вмісту вітаміну в їжі підвищується всмоктування кальцію і фосфору, а також відновлюється рівновага вмісту їх іонів в організмі. Паратгормон є антагоністом кальцитоніна по відношенню до кальцію і синергістом по відношенню до фосфору.
Патологія. Зустрічаються два види порушень діяльності гормону, пов'язані з гіпер- і гіпофункцією залози: гіпер- і гіпопаратиреоз. У першому випадку відбувається демінералізація кісткової тканини і виникають спонтанні переломи, гальмується діяльність ізоцитратдегідрогенази, в кістках підвищується вміст лимонної кислоти, інактивується лужна фосфатаза, зростає утворення цитрата кальцію, який легко дифундує в кров. Спостерігаються фосфатна гіперкальциурія, атонія харчового каналу, запори. При гіпофункції залози зменшується вміст кальцію в крові і збільшується вміст фосфору. З'являються тетанічні судоми, гіпокальциурія, блювота, спазми харчового каналу, затримка розвитку зубів у молодих організмів.
Застосування. При гіпопаратиреозі застосовується паратгормон, який одержують з екстракту паращитовидних залоз великої рогатої худоби. При гіперпаратиреозі вводиться кальцитонін, який гальмує виділення кальцію з кісткової тканини.
Гормон навколовушної залози
Навколовушна залоза – найбільша або друга після підшлункової залози по величині залоза. У жуйних секретує безперервно. Навколовушна залоза виробляє гормон паротин.
Хімічна природа. Паротин – це поліпептид, складається з 16 – 17 амінокислотних залишків.
Біосинтез. Гормон синтезується в клітинах залози з амінокислот.
Метаболізм. Синтезований гормон поступає в кровоносну систему і з током крові розноситься по всьому організму. Після прояву біологічної дії інактивується пептидгідролазами.
Біологічна дія. Паротин стимулює біосинтез білків у хрящовій тканині, бере участь у біосинтезі дентину, осеїну й інших білків опорних тканин. Гормон разом з кальцитоніном і паратгормоном бере участь у регуляції кальцієвого і фосфорного обміну. Механізм дії гормонів в цих процесах не вивчений.
Патологія. При гіпофункції залози дегенерують еластичні волокна.
Застосування. Не застосовується.
Гормон вилочкової залози
Вилочкова залоза (тимус) – лімфоепітеліальний орган. Розвивається в ранньому віці, у дорослих тварин редукується. Залоза складається з кіркової і мозкової речовини. В мозковій речовині в шаруватих епітеліальних утвореннях (тільцях Гассаля) синтезується гормон тимозин.
Хімічна природа. Тимозин за хімічною природою є поліпептидом з молекулярною масою 7000.
Біосинтез. Гормон синтезується з амінокислот. Біосинтез протікає рибосомальним шляхом.
Метаболізм. Синтезований гормон поступає в кровоносну систему і з током крові розноситься по всьому організму. Після прояву біологічної дії інактивується ферментами.
Біологічна дія. Тимозин стимулює утворення лімфоцитів, активує утворення антитіл, особливо у тимектомованих тварин, бере участь у біосинтезі ДНК і РНК, підвищує імунологічну реактивність організму, гальмує виділення тиротропіна і тироксина, затримує статеве дозрівання, збільшує число циркулюючих у крові і тканинах лімфоцитів.
Патологія. Гормональна діяльність залози порушується при травмах і пухлинах, інфекціях і хронічних інтоксикаціях. Виникає стомлюваність, слабкість, падає продуктивність та ін.
Застосування. Не застосовується.
Гормони підшлункової залози
Підшлункова залоза виконує секреторні і інкреторні функції. Її гормонами є: інсулін, глюкагон, ліпокаїн і ваготонін. Гормони виробляються в основному в клітинах острівців Лангерганса, які складають близько 1% всієї маси залози. Їх число у людини досягає 200 000 – 1 500 000.
Інсулін. Відкриття інсуліну пов'язано із з'ясуванням причин цукрового діабету. Гормон відкрив Л.В. Соболєв у 1902 р. Ф. Бантінг і Ч. Бест у 1921 р. виділили його в чистому вигляді. Пізніше була встановлена структура інсуліну і був здійснений його синтез.
Хімічна природа. Молекула інсуліну складається з мономерів, які можуть між собою асоціювати, утворюючи частинки з молекулярною масою 12000 – 48000. Кожний мономер складається з двох ланцюгів, сполучених між собою дисульфідними зв'язками. Ланцюг А з N-кінця закінчується амінокислотою гліцином і містить 21 амінокислоту. Ланцюг В з N-кінцевою амінокислотою фенілаланіном складається з 30 амінокислот.
Інсуліни різних тварин відрізняються між собою залишками амінокислот в положеннях 8, 9 і 10 А-ланцюга.
Мономери інсуліну з'єднуються між собою в ди-, тетра-, гекса- і октомери атомом цинку через імідазольні залишки гістидина. В молекулі інсуліну в середньому міститься 0,3 – 0,6% Zn. Препарат інсуліну (його одержують із залози великої рогатої худоби) – це безбарвна речовина з температурою плавлення 233°С, добре розчиняється у воді.
Біосинтез. Інсулін синтезується в b-клітинах острівців Лангерганса з амінокислот. Спочатку утворюється проінсулін, що складається з 73 або 84 залишків амінокислот. Потім під впливом нейрогуморальних факторів у двох ділянках ланцюга молекули проінсуліна відбувається розрив і відокремлюється сполучаючий пептид. У результаті цього утворюється молекула інсуліну. Пептид містить 22 або 33 залишки амінокислот. Утворенню інсуліну з проінсуліна сприяє підвищення концентрації глюкози в крові.
Метаболізм. Гормон з b-клітин через синусоїдальні капіляри поступає в кровоносне русло. Тут він взаємодіє з a- і b-глобулінами і у вигляді комплексів з ними прямує до органів і тканин. Гормон діє нетривалий час, до 3 – 4 год. Потім інсулін інактивується ферментами, особливо, інсуліназою, яка міститься в багатьох органах. При однократному проходженні крові через печінку інактивується близько половини інсуліну, що міститься в ній.
Біологічна дія. Гормон впливає на вуглеводний, ліпідний, білковий і нуклеїновий обмін через ферментні системи. Основна функція інсуліну полягає в регуляції обміну вуглеводів. При недостатній кількості гормону виникає гіперглікемія і глюкозурія, що пов'язано зі зменшенням проникності клітинних мембран до глюкози, гальмуванням глюкокінази і глікогенсинтетази. Порушується діяльність пентозного циклу, а це негативно відображається на біосинтезі жирних кислот, оскільки немає належної кількості НАД∙Н2. Наявність потрібної концентрації інсуліну забезпечує переважання синтезу білків і ліпідів над їх розпадом, відкладення в тканинах глікогену. Інсулін бере участь у біосинтезі клітинних мембран і стимулює з’єднання іРНК з рибосомами. Підвищення проникності мембран пов'язано із здатністю дисульфідних груп гормону взаємодіяти з сульфгідрильними групами мембран. Інсулін стимулює процеси клітинного дихання і його поєднання з фосфорилуванням.
Патологія. При недостатній кількості або відсутності в організмі інсуліну виникає цукровий діабет. Причиною хвороби можуть бути інфекція, токсикоз, панкреатит, пухлини гіпофіза та ін. Наступає загальна слабкість, схуднення, гіперглікемія, глюкозурія, поліурія (добова кількість сечі зростає в 3 – 5 разів), виникає діабетична катаракта, помутніння і виразка рогівки, кома і загибель.
Застосування. Препарати інсуліну (природні і синтетичні) застосовуються при лікуванні цукрового діабету, гепатитів, панкреатиту, отруєнь (наприклад, свинцем) та ін.
Глюкагон (гіперглікемічний чинник, ГГФ). Глюкагон був виділений з підшлункової залози як домішка до інсуліну.
Хімічна природа. Глюкагон – це поліпептид, що складається з 29 залишків 16 амінокислот, молекулярна маса – 3470, погано розчиняється у воді, ізоелектрична точка знаходиться в області рН = 7,5 – 8,5. Глюкагон має таку первинну структуру:
Гіс-Сер-Глу(NH2)-Глі-Тре-Фен-Тре-Сер-Асп-Тир-Сер-Ліз-Тир-Ілей-Асп-Сер-Арг-
-Арг-Ала-Глу(NH2)-Асп-Фен-Вал-Глу(NH2)-Тир-Лей-Мет-Асп(NH2)-Тре
Біосинтез. Гормон синтезується з амінокислот в a-клітинах острівців Лангерганса.
Метаболізм. Синтезований гормон поступає в кровоносну систему і розноситься по всьому організму, впливаючи на обмін речовин.
Біологічна дія. Гормон активує фосфорилазу печінки, ліпази тканин, разом з інсуліном утворює єдину систему регуляції вмісту глюкози в організмі. В цьому процесі бере участь функціональний аналог гормону – адреналін.
Патологія. Зустрічаються гіпо- і гіперпродукція глюкагона. Гіпопродукція викликається інфекційними і токсичними пошкодженнями a-клітин.
Застосування. Глюкагон застосовується при лікуванні хвороб, що викликають дегенерацію a-клітин. Препарат глюкагона володіє високою активністю – доза 0,7 мкг/кг живої маси збільшує вміст цукру крові на 50%. При підвищеній продукції глюкагона для його інактивації застосовують препарати бутаміда і надизана.
Ліпокаїн. Гормон був відкритий як речовина, яка запобігає ожирінню печінки. Одержують після екстракції з тканини підшлункової залози інсуліну.
Хімічна природа. За хімічною структурою ліпокаїн є поліпептидом. За фізичними властивостями гормон є аморфним порошком, жовтого кольору, розчинний у воді, з характерним запахом.
Біосинтез. Гормон синтезується з амінокислот у клітинах епітелію дрібних вивідних проток підшлункової залози.
Метаболізм. Гормон поступає в кровоносне русло, потім до органів і тканин. Виявляє біологічну дію, після чого інактивується ферментами. Продукти розпаду гормону використовуються тканинами, деякі (сечовина, вуглекислий газ, вода) видаляються з організму.
Біологічна дія. Ліпокаїн стимулює окислення жирів, жирних кислот і вихід їх з печінки в тканини, запобігає і усуває жирову інфільтрацію печінки, сприяє біосинтезу фосфатидів за наявності в раціоні ліпотропних факторів (холіна, метіоніна, казеїна).
Патологія. Секреція гормону порушується при панкреатиті, різних інфекційних хворобах, інтоксикаціях, пухлинах.
Застосування. Препарати гормону застосовуються при лікуванні цукрового діабету, гепатитів, жирової дистрофії печінки і цирозу, атеросклерозу, ліпоїдозів, гіперхолестеринемій та ін.
Ваготонін. Цей гормон підшлункової залози, отриманий з її екстракту, вивчений ще недостатньо. Передбачається, що гормон має білкову природу. Стимулює діяльність парасимпатичної нервової системи і, перш за все, блукаючого нерва – вагуса. Впливаючи на цей нерв, ваготонін затримує розпад глікогену до глюкози, чим і викликає зменшення вмісту цукру в крові. Стимулює процеси кровотворення. В молекулі ваготоніна міститься до 8% карнітина.
Чоловічі статеві гормони
Чоловічі статеві гормони – андрогени синтезуються в основному в сім’яниках, деяка частина – в яєчниках і корі наднирників. Найбільша кількість гормонів міститься в спермі. Сперма на 90 – 98% складається з води решта суха речовина. Більшу частину сухої речовини складають білки.
Хімічна природа. Перший андроген був отриманий Я. Бутенандтом у 1932 р. і названий андростероном. Всі андрогени є похідними циклічного вуглеводня – циклопентанпергідрофе-нантрена, зокрема, його метильованого гомолога – андростана:
Найбільший інтерес представляють андростерон, дегідроандростерон, тестостерон та їх синтетичний аналог – метилтестостерон:
Андрогени не розчиняються у воді, розчиняються в етанолі, петролейному ефірі і ацетоні, можуть кристалізуватися, мають високу температуру плавлення, оптично активні. Метилтестостерон – кристалічний порошок, добре розчиняється у воді, гірше – в етанолі.
Біосинтез. Гормони синтезуються в основному в інтерстиціальних клітинах Лейтіга. Початковими речовинами для синтезу служать холестерин і ацетил-КоА. Центральне місце в синтезі займає прегненолон, з якого двома метаболічними шляхами (D4- і D5-шлях) під впливом ряду ферментів утворюється тестостерон (схема 2).
Схема 2. Синтез тестостерона
Біосинтез тестостерона й інших гормонів регулюється гормонами передньої частини гіпофіза – фолітропіном і лютропіном.
Метаболізм. Гормони поступають у кровоносне русло, розносяться по організму і де і впливають на обмін речовин. Період біологічного напівжиття молекули тестостерона складає 20 хв. Гормони зазнають ряд перетворень і у вигляді кінцевих продуктів обміну виділяються з організму. Деяка кількість гормонів виділяється з сечею без змін.
Біологічне значення. З діяльністю гормонів пов'язаний розвиток і прояв вторинних статевих ознак і стійкого статевого потягу. Виділення андрогенних гормонів протікає безперервно. Стероїдні гормони порівняно вільно проникають через клітинні мембрани і зв'язуються в клітинах-мішенях із специфічними білковими рецепторами. Гормон-рецепторний комплекс, що утворився, проникає в каріоплазму, де і впливає через ферментні системи на матричний синтез ДНК і РНК, а потім – на клітинний синтез білка. Андрогени проявляють анаболічний ефект на різні види обміну. Вони стимулюють біосинтез білка в м'язовій тканині, сприяють накопиченню в організмі азоту, фосфору, калія, натрію, хлора. Тестостерон у два рази активніший за дегідроандростерон, в шість разів активніший андростерона.
Патологія. Виділення гормонів порушується при багатьох захворюваннях – орхітах, епідимітах, травмах, пухлинах сім’яників, інфекціях, інтоксикаціях. Окрім гіпогонадотизму (недостатньої продукції гормонів) зустрічається гіпергонадотизм (надмірна продукція гормонів).
Застосування. Андрогени і метилтестостерон застосовуються при статевій недостатності, імпотенції, недорозвиненості сім’яників, статевому і нервовому виснаженні.
Жіночі статеві гормони
Жіночі статеві гормони синтезуються в яєчниках, плаценті і частково в наднирниках. Відрізняються між собою за хімічною будовою, властивостями і значенням.
Хімічна природа. Жіночі статеві гормони можна розділити на п'ять груп: естрогени, гестагени, релаксин, андрогени і гормони плаценти.
Естрогени і гестагени є похідними циклопентанпергідрофенантрена. Естроген в основі молекули містить ядро естрана. Вперше виділені з сечі вагітних у 1927 р., потім отримані в чистому виді естрон, естрадіол і естріол.
Молекула естрогену в ядрі А містить три подвійні зв'язки:
Естрон часто називають фолікуліном. Естрогени – кристалічні речовини з високою температурою плавлення, оптично активні, не розчиняються у воді, розчиняються в етанолі і маслах.
Гестагени – це гормони жовтого тіла і продукти їх обміну. Є похідними прегнана:
Прегнан вперше був отриманий Я. Бутенандтом у 1934 р. з яєчників свині. Потім виділені 20 a- і 20 b-оксипрогестерони. Прегнан і його похідні, в основному, кристалічні речовини з високою температурою плавлення, оптично активні, розчиняються в етанолі і діетиловому ефірі, не розчиняються у воді.
Релаксин належить до поліпептидів. Релаксин, виділений з яєчника свині, має основні властивості, його молекулярна маса – 6500. Молекула складається з двох субодиниць, сполучених між собою дисульфідним містком.
Андрогени, що синтезуються в тканинах яєчника, не мають істотного значення в статевій діяльності самки. Їх структура була розглянута вище.
Хоріонічний гонадотропін (хоріонгонадотропін) – це гормон плаценти, глікопротеїд, молекулярна маса – близько 100000, містить до 18% вуглеводів, 8,4% азоту, термостабільний, активується амілазою слини.
Біосинтез. Біосинтез жіночих статевих гормонів протікає циклічно. Естроген в яєчнику утворюється в клітинах внутрішньої теки фолікулів, зірчастих клітинах жовтих тіл і інтерстиціальних клітинах. Після овуляції (розриву фолікула і виходу яйцеклітини) гранульозні клітини проростають в кров'яний згусток і поступово трансформуються в лютеїнові клітини, утворюючи жовте тіло, яке продукує гестагени. За відсутності вагітності жовте тіло розсмоктується. Ці процеси регулюються нейрогуморально. Так, на початку циклу гіпофіз виділяє фолітропін. Під його впливом розвиваються фолікули яєчника, в яких під впливом лютропіна гіпофіза синтезується естроген. Вони стимулюють ріст фолікулів і їх чутливість до гонадотропінів. Коли інкреція естрогену досягає максимуму, відбувається викид великої кількості лютропіна з гіпофіза (за принципом позитивного зворотного зв'язку). Під впливом високих концентрацій лютропіна і функціональних змін, викликаних естрогеном, відбувається овуляція. Розвивається жовте тіло, клітини якого синтезують прогестерон.
В організмі естроген утворюється за схемою 3.
Схема 3. Утворення естрадіолу
У біосинтезі естрогену і гестагенів, андрогенів і кортикостероїдів наднирників виявляється ряд загальних продуктів. Під час вагітності в жіночому організмі розвивається ще один найважливіший орган, де продукуються гормони, – плацента. Утворення всіх п'яти груп гормонів каталізується одними і тими ж ферментними системами, хоча існують деякі відмінності, пов'язані із специфікою того або іншого гормону і органу. Біосинтез релаксину і хоріонгонадотропіна протікає типово для білка.
Метаболізм. Гормони, що утворилися, поступають у кровоносну систему і у вигляді біокомплексів з b-глобулінами транспортуються до органів і тканин. Після здійснення біологічної дії інактивуються, в основному, в печінці і нирках. Спочатку частина естрогену перетворюється на зв'язані форми – глюкуроніди та ефіри з сірчаною кислотою. Основна маса естрогену інактивується гідроксилюванням, метоксилюванням і окисленням з утворенням мало- і неактивного похідного естрогену. Частина гормонів виділяється з сечею в незмінному вигляді. Основним продуктом обміну прогестерону є прегнандіол, який виділяється у вигляді глюкуронідів. У перші дні вагітності у жінок з сечею виділяється до 10 мг прегнандіола, в останні дні – до 100 мг на добу.
Біологічна дія. Гормони забезпечують репродуктивні функції. Між дією естрогену і гестагенів існує взаємозв'язок і спадкоємність. Естрогени забезпечують розвиток і прояв у самок вторинних статевих ознак (тічку, статевий потяг), оптимальні умови для запліднення яйцеклітини після овуляції, підготовку матки для імплантації заплідненої яйцеклітини. Після настання вагітності на місці колишнього фолікула розвивається істинне жовте тіло, яке продукує гестагени. Під впливом гестагенів стимулюється розвиток маткових залоз і виділення ними секрету, які є поживною і захисною речовиною для яйцеклітини, що розвивається, до її імплантації.
Прогестерон готує слизову оболонку матки до прийняття заплідненої яйцеклітини і сприяє утворенню материнської частини плаценти. Прогестерон знижує скоротливу здатність м'язів матки і гальмує дію окситоцина. При вагітності гестагени гальмують овуляцію і сприяють розвитку молочної залози. Вони уповільнюють синтез лютропіна і тим самим не допускають овуляцію нових фолікулів. Прогестерон гальмує виділення фолітропіна, збільшує швидкість розпаду і синтезу білків, пуринових основ, вуглеводів.
Релаксин специфічно впливає на пізніх стадіях вагітності: під його впливом розм'якшуються епіфізи лонного зрощення і розслабляються лобкові зв'язки.
Хоріонгонадотропін сприяє нормальному протіканню вагітності: він впливає на розвиток і функціонування істинних жовтих тіл, регулює ендокринні функції плаценти.
Патологія. До патологічних порушень виділення гормонів відносяться різні захворювання: недорозвиненість яєчників, кісти яєчників, дисфункція гіпофіза і щитовидної залози та ін. Ці явища призводять до порушень реакцій обміну речовин, в яких беруть участь гормони. При близькоспорідненому заплідненні часто виникає інфантилізм – загальне недорозвинення організму або окремих органів.
Застосування. Гормони і їх синтетичні аналоги застосовуються як лікарські засоби при різних порушеннях жіночої статевої сфери. Особливе місце належить синестролу, який вживається для боротьби з безпліддям, при лікуванні ендометритів і для прискорення відділення посліду:
Високою естрогенною активністю володіє октестрол: він у 2,5 рази активніший за фолікулін, по активності він рівний синестролу.
Гормони кори наднирників
Наднирники – парні залози внутрішньої секреції. Кожний наднирник складається з кіркової і мозкової речовини. Кіркова речовина складає 60 – 70% загальної маси органу. Експериментальне видалення органу приводить до загибелі тварин.
Гормони кори наднирників почали вивчати після робіт Т. Аддісона (1855), який встановив, що причиною бронзової хвороби є дегенерація клітин кори наднирників. Е. Кендалл і співробітники, а також Т. Рейхштейн отримали з екстракту кори наднирників велику кількість стероїдів, які володіють гормональною активністю.
Хімічна природа. За фізіологічною дією гормони ділять на чотири групи:
глюкокортикоїди (кортикостерон, гідрокортикостерон, кортизон),
мінералокортикоїди (альдостерон, дезоксикортикостерон),
андрогени (андростендіон, дегідроепіандростерон, тестостерон та ін.),
естроген (естрон, еквіленин та ін.).
Перші дві групи називають власне кортикостероїдами. Всі ці гормони є похідними циклопентанпергідрофенантрена. Його ядро служить основою для утворення всіх чотирьох груп гормонів. Гідрокортизон і кортикостерон складають близько 80% всіх гормонів кори, альдостерон – 2, інші – 18%. Найбільш докладно вивчено шість гормонів:
Біосинтез. У клітинах клубочкової зони кори наднирників утворюється альдостерон, в пучковій зоні – гормони, які забезпечують регуляцію обміну багатьох органічних речовин і реакцію організму на стресові дії. Біосинтез кортикостероїдів регулюється гормоном гіпофіза АКТГ, який з током крові поступає в тканини наднирників. Тут з попередників (холестерину і ацетил-КоА) утворюються гормони.
Між ендокринними залозами, що беруть участь в утворенні і регуляції біосинтезу кортикостероїдів, існує прямий і зворотний зв'язок. Так, при появі в кровоносному руслі надлишку кортикостероїдів у гіпоталамусі зменшується синтез і виділення кортиколіберина, що призводить до зменшення швидкості біосинтезу АКТГ в гіпофізі і навпаки. Деякі попередники гормонів утворюються в стероїдопродукуючих органах, особливо, в статевих залозах і плаценті, потім поступають у кору наднирників.
Специфічність в утворенні гормонів залежить від виду тварин, від активності ферментів, що каталізують дані процеси. Так, розрив бічного ланцюга прегнана здійснюється карбоксилазою. Утворення гідроксильних груп каталізується специфічними гідроксилазами, які розрізняються залежно від місця розташування груп – ОН. Джерелом водню найчастіше є вітамін С, яким багата кора наднирників. Водень транспортується у вигляді НАДФ∙Н2.
Метаболізм. Синтезовані в корі наднирників гормони поступають у кровоносне русло. Близько 90% загальної кількості гормонів знаходиться у вигляді комплексних сполук з білками. Так, гідрокортизон і кортизон з'єднуються з a-глобулінами, альдостерон – з альбумінами крові. Це дає можливість клітинам поступово використовувати гормони і оберігає кортикостероїди від руйнування. Період біологічного напівжиття молекули гідрокортизону рівний 80 – 110 хв, кортикостерона – 60 – 90 і кортизону – 30 хв.
Основна маса кортикостероїдів виділяється з організму у вигляді їх метаболітів. Загальним для всіх стероїдних гормонів є переважання в їх обміні відновних реакцій. Відновлені метаболіти в печінці утворюють парні сполуки з глюкуроновою і сірчаною кислотами. Парні сполуки виділяються з організму з сечею і калом. Близько 1% гідрокортизону виділяється з сечею в незмінному вигляді. Кортикостерон виділяється з жовчю.
Біологічна дія. Під впливом глюкокортикоїдів збільшується розпад білків і гальмується їх синтез, зменшується маса тіла і зростає виділення з сечею сечовини, сечової кислоти й інших азотовмісних сполук, зростає вміст глікогену в м'язах, стимулюється глюконеогенез, підвищується рівень глюкози в крові і накопичення глікогену в печінці. При зменшенні виділення цих гормонів спостерігається зворотна дія. Інтенсивний синтез глюкокортикоїдів сприяє збільшенню в крові кількості лейкоцитів, особливо нейтрофілів, і зменшенню в ній числа еозинофілів і лімфоцитів.
Мінералокортикоїди впливають на водно-сольовий обмін. Вони затримують у тканинах іони Na+ і створюють передумови для утримування організмом води. При недостатній кількості цих гормонів зменшується вміст у тканинах іонів Na+ і хлорид-іонів, падає осмотичний тиск, настає зневоднення. Мінералокортикоїди, особливо альдостерон, володіють слабкою глюкокортикоїдною дією, впливаючи на обмін вуглеводів. Як і глюкокортикоїди, вони впливають на мінеральний обмін. Андрогени і естроген у корі наднирників синтезуються у невеликій кількості. Їх роль у виникненні і прояві статевих ознак невелика.
Патологія. При гіпофункції кори наднирників виникає гостра і хронічна недостатність всіх чотирьох груп гормонів. Причиною гострої недостатності можуть бути інфекційно-токсичні процеси, новоутворення, травми і інші ураження органу. При цьому слабшає серцева діяльність і порушується робота харчового каналу. Причиною хронічної недостатності може бути атрофія кори наднирників. При цьому падає кров'яний тиск, зменшується м'язовий тонус, виникає бронзове забарвлення шкіри і слизових оболонок (бронзова хвороба), наступає гіпоглікемія і гіпоазотемія, порушується водно-мінеральний обмін.
Іноді зустрічається гіперфункція кори наднирників. В її основі лежить посилення функціонування клітин якоїсь однієї зони. Так, при підвищеній функції клубочкової зони зростає виділення альдостерону і розвивається синдром альдостеронізма (гіпертонія, гіпернатрійемія, судоми, парез). Причиною цього можуть бути аденоми і карциноми кіркової речовини наднирників або різні інфекційні і токсичні процеси. При пухлинах пучкової зони кори починається надлишкове виділення глюкокортикоїдів, що призводить до виникнення наднирково-кіркового синдрому обмінного типу. При цьому поступово затухає синтез білків, зростає їх розпад і гальмується імунобіологічна реактивність організму.
Застосування. Гормони застосовуються відповідно до їх біологічної дії. Так, кортизон використовується при лікуванні ревматоїдного артриту, поліартритів, гострого суглобового ревматизму, вовчаку, спондіоартритів, бронхіальної астми і ін. Ацетат кортизону застосовується для лікування ревматизму, дерматитів, лейкозу; альдостерон (в 30 – 120 разів активніше дезоксикортикостерона) – при порушеннях мінерального обміну. Для цієї мети застосовуються деякі синтетичні аналоги – дексаметазон (у 30 разів активніший за гідрокортизон) і 9a-фторпреднізолон (у 50 разів активніший за гідрокортизон).
Гормони мозкової речовини наднирників
Мозкова речовина наднирників складає 30 – 40% його загальної маси. Продукує гормони адреналін і норадреналін. Вивчення гормонів почалося після дослідів Н. Цибульського і Л. Шимановича в 1895 р., які встановили, що екстракт мозкової речовини наднирників підвищує кров'яний тиск. У 1899 р. з екстракту мозкової речовини був виділений адреналін, а в 1947 р. – норадреналін.
Хімічна природа. Гормони є похідними діоксібензола (катехола або пірокатехіна). Їх називають катехоламінами:
В органах і тканинах, особливо в наднирниках і симпатичній нервовій системі, міститься L-адреналін, який у 15 – 40 разів активніший за D-адреналін. Адреналін – кристалічна речовина білого кольору, гірка на смак, погано розчиняється у воді, оптично активна, нестійка, легко вступає в реакції окислення і заміщення.
Біосинтез. Основна маса обох гормонів синтезується в округлих або багатокутних клітинах мозкової речовини наднирників, частина – в симпатичних відділах нервової системи, оскільки ці гормони виконують функції медіаторів нервового збудження. Джерелом біосинтезу гормонів є амінокислота L-тирозин. В цих процесах бере участь ряд ферментів, АТФ, холін. Утворення гормонів протікає стадійно:
Остання реакція регулюється АКТГ і гормонами кори наднирників. У організмі адреналін і норадреналін знаходяться у вільному і зв'язаному стані.
Метаболізм. Синтезовані гормони поступають у кровоносну систему. Деякі гормони зв'язуються з білками крові, інші депонуються у вигляді солей з АТФ в симпатичних нервових закінченнях. Після виконання своїх функцій основна маса гормонів інактивується і виділяється з організму. Частина гормонів взаємодіє в печінці з сірчаною і оцтовою кислотами, утворюючи ефіри, які виділяються з сечею. Основна маса їх піддається складним перетворенням, у результаті яких утворюється меланін, або меланоїдний пігмент, який і видаляється з організму. Значна кількість гормонів інактивується метилюванням і дезамінуванням з утворенням продуктів, які у вигляді парних сполук з сірчаною і глюкуроновою кислотами виводяться з сечею з організму.
Біологічна дія. Гормони разом з простагландинами (див. нижче) впливають на обмін вуглеводів, білків, ліпідів і інших сполук (схема 4).
Молекула гормону з кровоносного русла поступає в міжклітинну рідину, а з неї – на поверхню клітини-мішені. Тут молекула адреналіну, як і інших гормонів, взаємодіє з рецепторами клітини, розміщеними на її поверхні. Рецептори взаємодіють з ферментом аденілатциклазою, яка знаходиться в неактивній формі. Під впливом ферменту з АТФ утворюється цАМФ. Він і є посередником між гормоном і відповідним ферментом. Якщо субстратом виявляється глікоген, через цАМФ гормон діє на молекулу неактивної фосфорилази, перетворюючи її на активну форму. Активна фосфорилаза і здійснює фосфороліз глікогену, перетворюючи його в глюкозо-1-фосфат.
Схема 4. Механізм дії адреналіну на гепатоцит
Підвищене виділення гормонів або надмірне введення їх в організм викликає гіперглікемію і глюкозурію. Гормони збільшують швидкість розщеплення в тканинах білків і виділення азотних продуктів обміну з сечею, активують ліпазу жирових депо і прискорюють мобілізацію ліпідів. Дія адреналіну виявляється в дозах 0,0001 – 0,00001 мг на 1 кг живої маси. При цьому підвищується кров'яний тиск, частішає і посилюється серцебиття, швидшає ритм дихання, сповільнюється перистальтика кишок, збільшується температура тіла та ін. Адреналін підвищує тиск систоли, норадреналін – систоли і діастоли. Норадреналін не впливає на прискорення пульсу і не посилює споживання тканинами кисню. Фізіологічна дія гормонів пов'язана з їх взаємодією з адренорецепторами. a-Адренорецептори пов'язані із збудженням, а b-адренорецептори – з гальмуванням скорочень м'язових волокон гладеньких м'язів, частішанням і посиленням серцевих скорочень.
Патологія. Мозкова речовина наднирників вражається при багатьох інфекційних, незаразних і інвазивних хворобах, новоутвореннях, травмах і інших патологічних процесах. Атрофується хромафінна тканина, зменшується виділення гормонів, що призводить до гальмування всіх хімічних реакцій, в яких беруть участь катехоламіни. Іноді наступає гіперфункція мозкової речовини, коли вона вражається симпатикобластомою. Виникає надлишок гормонів і їх попередників, посилюються реакції обміну, в яких беруть участь адреналін і норадреналін. Виникає гіпертонія (з тахікардією), гіперглікемія, глюкозурія, розвивається атеросклероз, нефрит, порушується мозковий кровообіг, гальмується діяльність кори наднирників, може наступити смерть.
Застосування. Препарати гормонів застосовують при серцево-судинній недостатності, шоках, електротравмі, гіпоглікемічній комі, лікуванні бронхіальної астми. Застосування препаратів гормонів протипоказано при органічних ураженнях серця і високому кров'яному тиску.
Гормоноїди
Гормоноїди, або парагормони, – це різнорідні за хімічною будовою речовини, які проявляють сильну біологічну дію на багато фізіологічних процесів в організмі. На відміну від гормонів їх біосинтез не має суворої локалізації: вони утворюються в різних органах і тканинах. Гормоноїди володіють короткочасною біологічною дією. До них відносяться простагландини, гормоноїди харчового каналу і нейрогормони.
Простагландини. Простагландини вперше були знайдені в спермі людини. Ульф ван Ейлер у 1936 р. виділив ці речовини з витяжки передміхурової залози і назвав їх простагландинами. Зараз відомо понад 20 природних простагландинів.
Хімічна природа. Всі ці речовини за своїм агрегатним станом є рідинами або низькоплавкими кристалічними речовинами. За хімічною природою вони є ненасиченими жирними кислотами, що мають скелет з 20 вуглецевих атомів. Їх ділять на чотири основні групи: Е, А, В і F. Кожний з простагландинів в основі молекули має циклопентанове кільце, два бічні ланцюги, подвійний зв'язок між 13 і 14 вуглецевими атомами. Індивідуальні представники усередині кожної групи відрізняються між собою числом подвійних зв'язків в бічних ланцюгах. Ці зв'язки позначаються внизу букви цифровим індексом. Групи простагландинів мають таку будову:
Найбільшою біологічною активністю володіють два простагландини: ПГ-E1 і ПГ-F3a.
Біосинтез. Простагландини утворюються в клітинах різних тканин. Їх попередниками є ненасичені жирні кислоти: лінолева, ліноленова, арахідонова та ін. При ендогенному походженні жирних кислот з фосфоліпідів під впливом фосфоліпаз вивільняються поліненасичені жирні кислоти, зазвичай з лінійним ланцюгом з 20 вуглецевих атомів. Надалі під впливом спеціалізованої ферментної системи в мікросомах відбувається окислювальна циклізація з утворенням молекули простагландина по типу:
В організмі людини щодоби утворюється близько 100 мкг простагландинів. В окремих тканинах (наприклад, в тканинах передміхурової залози) їх вміст досягає 1 мкг на 1 г, в спермі міститься до 100 – 300 мкг на 1 мл.
Метаболізм. Простагландини мають високий ступінь метаболізму. Найбільш інтенсивно вони розпадаються в тканинах легень, нирок і печінки. Так, після однократного проходження крові через легені і печінку інактивується відповідно 95% і 70% ПГ-Е2. Ці процеси включають окислення гідроксила у С15, відновлення D13-подвійного зв'язку, b-окислення, w-гідроксилування і w-окислення:
Біологічна дія. Простагландини за біологічною дією можна віднести до „місцевих”, або клітинних гормонів.
Перш за все вони впливають на активність аденілатциклази, яка регулює в клітинах вміст цАМФ – посередника між гормонами і ферментами. Так, у жировій тканині під впливом аденілатциклази посилюється ліполіз, у м'язовій – глікогеноліз, у кірковій речовині наднирників – стероїдогенез. У клітинах простагландини зазвичай знаходяться в зв'язаному стані. Їх дія активується адреналіном. Важливу роль в здійсненні дії простагландинів можуть також відігравати АТФ і іони Са2+:
Патологія. Біосинтез гормоноїдів і їх обмін порушується при багатьох хворобах, особливо печінки, легень, нирок, центральної нервової системи, статевих залоз, а також при недостатній кількості і відсутності в раціоні ненасичених жирних кислот.
Застосування. Досвід застосування простагландинів на практиці свідчить про їх перспективне використовування для лікування бронхіальної астми, бронхітів, артритів, тромбозів, виразки шлунку та ін.
Гормоноїди харчового каналу. В слизовій оболонці харчового каналу синтезуються деякі біологічно активні речовини, які за своєю дією нагадують гормони.
Гастрин. Це речовина поліпептидної природи, що синтезується слизовою оболонкою привратника шлунку. Його молекула має таку будову:
Глі-Глі-Про-Три-Мет-Глу-Глу-Глу-Глу-Глу-Ала-Тир-Глі-Три-Мет-Асп-Фен-NH2.
Гастрин виділяється у відповідь на роздратування слизової оболонки при розтягуванні або дії речовин їжі. Сприяє виділенню шлункового соку, соку підшлункової залози, жовчі, підвищує тонус і моторику шлунку і кишок. Підвищення концентрації соляної кислоти у складі шлункового соку гальмує біосинтез гастрина.
Секретин. Цей гормоноїд виробляється клітинами слизової оболонки тонкої кишки під впливом соляної кислоти шлункового соку. За хімічною природою це поліпептид, молекула його була побудована з 27 амінокислотних залишків, причому 14 з них сполучені в такій послідовності, як і в молекулі глюкагона. Секретин був отриманий у чистому вигляді із слизової оболонки кишок. Спочатку він усмоктується слизовою оболонкою кишок, потрапляє в кровоносну систему, потім у підшлункову залозу, де і проявляє свою біологічну дію. Стимулює виділення підшлунковою залозою води і електролітів (в основному гідрокарбонатів).
Панкреозимін. Цей поліпептид синтезується слизовою оболонкою тонкої кишки. Структура його молекули вивчена недостатньо. Панкреозимін сприяє синтезу секреторною частиною підшлункової залози гідрокарбонатів і ферментів.
Холецистокінін. Речовина, що синтезується слизовою оболонкою тонкої кишки. Біосинтез холецистокініна стимулюється ліпідами, білками і мінеральними речовинами харчів. За хімічною природою гормоноїд є поліпептидом.
Структура молекули вивчена недостатньо. Викликає скорочення мускулатури жовчного міхура і виділення жовчі в дванадцятипалу кишку.
Нейрогормони. Нейрогормони синтезуються в нейросекреторних клітинах і утворюються в ендоплазматичному ретикулумі відповідних нейронів, упаковка в гранули відбувається в комплексі Гольджі. Потім вони поступають у нервові закінчення і міжклітинний простір. Якнайбільше нейрогормонів синтезується в клітинах ядер проміжного мозку. До них відносяться вазопресин і окситоцин, гормони гіпоталамуса, гістамін, серотонін, ацетилхолін, адреналін і норадреналін і деякі інші речовини.
Гістамін. Гістамін є похідним амінокислоти гістидина. Багато гістаміну синтезується тканинами шкіри, харчового каналу, легень. Гістамін виконує роль гуморального збудника шлункової секреції, підвищує тонус гладкої мускулатури, розширює капіляри. Знаходиться в зв'язаному стані з гепарином і іншими речовинами. Секреторна діяльність гормоноїда регулюється соматотропіном, адреналіном, норадреналіном, ацетилхоліном. Інактивується клітинними білками і гістаміназою. Вміст гістаміну в тканинах зростає при опіках, шокові та ін.
Серотонін. Біологічно активна речовина, міститься в різних тканинах тваринного організму. Утворюється з L-триптофана в центральній нервовій системі, клітинах слизової оболонки кишок і підшлункової залози. Володіє широким діапазоном дії на функції: нервової, серцево-судинної, м'язової, сечостатевої і ендокринної систем. Служить медіатором нервового імпульсу в нервових центрах (наприклад, в гіпоталамусі) і на периферії. В тканинах швидко руйнується під впливом ферменту моноамінооксидази, перетворюючись на 5-гідроксиіндолілоцтову кислоту, яка з сечею виводиться з організму. Серотонін впливає на скорочення гладкої мускулатури і передачу нервових імпульсів, бере участь у регуляції кров'яного тиску, температури тіла, дихання, сечовиділення, діяльності харчового каналу. Вважають, що порушення в організмі обміну серотоніна може бути однією з причин виникнення інфаркту міокарду, виразки, багатьох психічних захворювань.
Ацетилхолін. Ацетилхолін – один з найпоширеніших медіаторів нервового збудження. Синтезується в ендоплазматичній сітці багатьох нейронів центральної і периферичної нервової системи. Ним багаті нервові клітини парасимпатичних гангліїв. Виділяється закінченнями рухових і парасимпатичних нервових волокон у синаптичну щілину і викликає з боку органу який інервується відповідний ефект.
Біосинтез ацетілхоліну відбувається в результаті реакції між холіном і ацетил-КоА під впливом ферменту холін – ацетилтрансферази, іонів Mg2+, K+ і Са2+:
Інактивується АХЕ:
Деякі інші гормоноїди. Найбільший інтерес представляють ангіотензин і кініни.
Ангіотензин. За хімічною природою гормоноїд є поліпептидом, утворюється з b-глобулінів крові. При недостатній кількості в тканинах нирок кисню синтезується фермент ренін. Під впливом реніна і трипсину від молекули глобуліну відщеплюється декапептид – неактивний ангіотензин I. Коли він піддається дії ферменту ангіотензинази, то відщеплюється два амінокислотні залишки і утворюється ангіотензин II: Фен-Про-Гіс-Ілей-Тир-Вал-Арг-Асп. Гормоноїд є складовою частиною системи ренін-ангіотензин. Об'єктом дії ангіотензину є ниркові артеріоли. При гіперінкреції виникає ниркова гіпертонія.
Кініни. Ці поліпептиди беруть участь у регуляції швидкості кровотоку, зменшують кров'яний тиск, посилюють роботу серця і легень. Утворюються в тканинах і крові з кініногенів під впливом спеціалізованих ферментів. Найбільше значення мають два кініна:
брадикінін Арг-Про-Про-Глі-Фен-Сер-Про-Фен-Арг
і
каллідин – Арг-Про-Глі-Фен-Сер-Про-Фен-Арг-Три.
Лекція № 9. Обмін речовин.
Загальні уявлення про обмін речовин і енергії
Обмін речовин і енергії є однією з найважливіших і найсуттєвіших ознак живого організму. Живі організми – відкриті системи, для існування яких необхідний постійний двосторонній зв'язок (обмін) з навколишнім середовищем. З навколишнього середовища вони одержують поживні речовини та енергію, перетворюють їх, видозмінюють, використовуючи утворені сполуки для власних потреб, та повертають в навколишнє середовище кінцеві продукти обміну. Вся сукупність процесів поглинання, засвоєння речовин з навколишнього середовища та утворення і виділення кінцевих продуктів – суть обміну речовин.
Розглядаючи життя як вищу форму руху живої матерії, як спосіб існування біополімерних тіл та систем, здатних до самооновлення і самовідтворення в умовах постійного взаємозв'язку з навколишнім середовищем, незаперечним є те, що обмін речовин є основою всіх проявів життєдіяльності. Припинення обміну речовин рівнозначне припиненню життя. Обмін речовин відбувається і в неживій природі, однак цей процес значно відрізняється від обміну в живих системах. Ця відмінність зумовлена насамперед тим, що обмін речовин у живих організмах забезпечує постійне самооновлення та самовідтворення його складових частин і здійснюється завдяки злагодженій дії численних систем та специфічних факторів, що забезпечують процеси життєдіяльності. У неживій природі обмін відбувається в одному напрямі, що призводить до видозміни, а часто і руйнування неживих тіл. Оскільки обмін речовин між організмом та навколишнім середовищем зумовлює всі прояви життєдіяльності, його можна розглядати як своєрідну норму реагування організму на зміну умов середовища, тобто в процесі еволюції в живих організмах виникли і вдосконалились специфічні функції, що забезпечили виживання та їх розвиток. Отже, обмін речовин в живих організмах має багато суттєвих ознак. Насамперед для обміну речовин у живих організмах характерним є скоординованість біохімічних перетворень у просторі і часі, завдяки чому різні процеси, інколи прямо протилежні, здійснюються одночасно, не заважаючи один одному. Це значною мірою забезпечується за рахунок кампартменізації – окремі біохімічні перетворення відбуваються на певних ділянках клітин чи в специфічних органелах клітин. Досить важливим є і те, що перебіг процесів проходить у суворо визначеній послідовності, при цьому кожна попередня реакція створює умови для здійснення наступної. В цьому важлива роль належить біологічним каталізаторам – ферментам, які мають багато специфічних властивостей і забезпечують складні біохімічні перетворення численних субстратів та спряженість цих перетворень на метаболічному та енергетичному рівнях. Це створює умови для забезпечення саморегуляції та підтримання гомеостазу – необхідної умови існування живих організмів.
Умовно обмін речовин поділяють на загальний, проміжний та внутрішньоклітинний. Загальний обмін включає процеси надходження поживних речовин в організм, їх перетворення і виділення продуктів обміну. Проміжний обмін – це перетворення речовин в організмі з моменту надходження їх до утворення кінцевих продуктів обміну. Внутрішньоклітинний обмін – це перетворення речовин після всмоктування. Оскільки, за винятком процесів перетравлювання і всмоктування, а також утворення деяких міжклітинних рідин і мінеральних речовин у кістковій тканині, всі інші процеси відбуваються в клітинах організму, то поняття проміжного і внутрішньоклітинного обміну майже співпадають. Загальний обмін складається з проміжного і внутрішньоклітинного. Специфічними функціями обміну речовин є вбирання (акумуляція) енергії з навколишнього середовища, яка потрапляє у формі хімічних сполук або у вигляді енергії сонячного випромінювання і перетворення екзогенних сполук для синтезу біополімерів, властивих даному організму, та вилучення енергії. Енергія необхідна для процесів синтезу і виконання різних специфічних функцій, властивих живому, для росту, розвитку, руху, секреції, подразливості, скоротливості.
Обмін речовин складається з фізіологічних (травлення, всмоктування, виділення) і фізичних (сорбція, дифузія, осмос), хімічних (окислення, відновлення, гідроліз, фосфороліз) процесів, які здійснюються при проміжному та внутрішньоклітинному обміні. Особливе місце серед них належить хімічним перетворенням органічних сполук, різноманітність яких зводиться до двох основних реакцій – синтезу та розщеплення. Реакції синтезу відбуваються в напрямі ускладнення молекул, що призводить до перетворення простих сполук на складніші. Це так звані анаболічні реакції (від лат. anabole – синтез). Реакції розщеплення характеризуються протилежним процесом – розщепленням складних сполук з утворенням простіших. Це так звані катаболічні реакції (від лат. katabole – розклад), тобто обмін речовин можна розглядати як діалектичну єдність двох протилежних і взаємопов'язаних процесів – розщеплення і синтезу – асиміляції і дисиміляції.
Асиміляція – це частина загального обміну, що супроводжується поглинанням органічних сполук з навколишнього середовища, засвоєнням, перетворенням та синтезом за їх рахунок різних структур організму. Цей процес включає численні хімічні реакції та перетворення органічних сполук, які забезпечують використання організмом поживних речовин, що потрапляють з навколишнього середовища. За рахунок асиміляції забезпечуються процеси росту, розвитку, самооновлення організму. Асиміляція супроводжується анаболічними реакціями, які забезпечують синтез складних органічних сполук. Основними анаболічними реакціями є реакції відновлюючого синтезу, які супроводжуються використанням енергії, тобто є ендергонічними.
Дисиміляція – це частина загального обміну, в процесі якого відбувається руйнування та розщеплення складних органічних сполук, які потрапляють з продуктами харчування, та тих, що входять до складу власних структур організму – білків, вуглеводів, ліпідів з утворенням простіших сполук та кінцевих продуктів обміну. Органічні сполуки, що потрапляють з продуктами харчування, перетворюються за участю численних ферментів до простіших сполук. Певна послідовність ферментативних перетворень називається метаболізмом (від лат. metabole – перетворення). Речовини, що утворюються в процесі метаболізму, називаються метаболітами. Інколи поняття метаболізм ототожнюється з поняттям обміну, оскільки з хімічної точки зору метаболізм – це сукупність різноманітних ферментативних реакцій окислення, відновлення, гідролізу та ін.
Для дисиміляції характерні катаболічні реакції, які супроводжуються виділенням енергії, тобто є екзергонічними. Основними катаболічними реакціями, що здійснюються при дисиміляції, є гідроліз, фосфороліз та окислення. Гідроліз і фосфороліз складних органічних сполук до простіших здійнюються за участю певних ферментних систем. Реакції окислення характерні переважно для внутрішньоклітинного обміну і мають багато особливостей. В організмі процеси окислення відбуваються за рахунок таких процесів: приєднання атомів кисню до субстрату; відщеплення атомів водню з субстратів, що окислюються; віддачі електронів. Усі реакції каталізуються специфічними ферментними системами. Так, використання кисню в процесах окислення в організмі може забезпечуватись за рахунок кількох груп ферментів: оксидаз і оксигеназ, а відщеплення водню та електронів з субстрату, що окислюється, забезпечують ферменти дегідрогенази. Деякі реакції є спряженими – окислення однієї сполуки, як правило, супроводжується відновленням іншої (реакції оксидоредукції). Особливістю перебігу даних реакцій в живих організмах є те, що вони в більшості випадків складають ланцюги взаємопов'язаних послідовних перетворень, які забезпечують поетапне виділення енергії. Процеси асиміляції і дисиміляції в організмі відбуваються одночасно і є двома сторонами єдиного процесу обміну. Анаболічні реакції, що характерні для асиміляції, забезпечують утворення органічних сполук, необхідних для побудови структур організму, а катаболічні реакції, які характерні для дисиміляції,– виділення енергії, необхідної для синтезу складних органічних сполук та утворення кінцевих продуктів обміну.
Співвідношення між процесами асиміляції і дисиміляції є досить важливим показником функціонального стану організму. Найінтенсивніше процеси асиміляції проходять у період росту та розвитку організму. Переважання процесів дисиміляції над процесами асиміляції має місце при деяких патологічних процесах та при старінні організму. За нормальних фізіологічних умов в організмі забезпечується стабільна рівновага даних процесів. Разом з тим слід зазначити, що незважаючи на те, що процеси асиміляції і дисиміляції є взаємоузгодженими і відбуваються одночасно, анаболічні реакції, як правило, є не оборотними реакціями катаболізму, оскільки різні етапи їх каталізують різні ферментні системи та здійснюються в різних кампартментах клітини.
Так, процеси синтезу різних біополімерів клітини здійснюються в цитоплазмі, де локалізовані відповідні ферментні системи, а процеси розщеплення різних субстратів, спряжені із виділенням енергії, проходять у мітохондріях. Прикладом може бути розщеплення та синтез жирних кислот, вуглеводів, білків. Незважаючи на те що анаболічні і катаболічні реакції розмежовані в просторі і часі, їх об'єднують спільні стадії та проміжні продукти обміну (метаболіти). Динамічна єдність двох протилежних процесів – асиміляції та дисиміляції – є досить важливою ознакою обміну речовин у живих системах та необхідною умовою їх існування.
У процесі еволюції в живих організмах сформувались певні регуляторні механізми, які забезпечують високий ступінь упорядкованості та узгодженості процесів, що в них здійснюються. Дані регуляторні механізми діють на різних рівнях – клітинному, метаболічному, організменному – і є спільними для всіх живих організмів. Координація та взаємоузгодженість процесів асиміляції і дисиміляції, інтенсивність та направленість біохімічних перетворень переважно регулюються шляхом зміни активності ферментних систем та за участю інших регуляторних механізмів (нервових та гуморальних), що забезпечує динамічну рівновагу між організмом та навколишнім середовищем як важливу умову існування живих систем. Процеси асиміляції і дисиміляції можна проілюструвати схемою:
Енергетичний баланс організму. Макроергічні сполуки
Обмін речовин в організмі тісно пов’язаний з обміном енергії. Постійне надходження та використання енергії є необхідною умовою існування живих організмів як відкритих систем. За рахунок надходження енергії забезпечується підтримання стабільного, впорядкованого стану живої системи, що запобігає дезорганізації, хаосу та її загибелі. Енергія необхідна організму для забезпечення таких процесів: виконання різної роботи (механічної, осмотичної, фізичної); руху, скорочення та розслаблення м'язів; синтезу та розщеплення різних сполук; транспорту речовин та іонів; підтримання гомеостазу; виконання специфічних функцій, що забезпечують процеси життєдіяльності.
У процесі еволюції в живих організмах сформувались механізми, які забезпечують сприймання або вилучення енергії, генерацію, акумулювання її та використання організмом. Різні форми енергії, що існують у живих системах – хімічна, електрична, світлова, теплова, можуть взаємоперетворюватись одна в одну.
Залежно від способу вилучення енергії всі живі організми поділяють на фото- і хемотрофи. Фототрофи у вигляді джерела енергії використовують енергію квантів світла. До фототрофів належать зелені рослини, водорості, деякі бактерії. Дані організми синтезують складні органічні сполуки з неорганічних (CO2 і H2O) за рахунок енергії сонячного випромінювання, тобто вони здатні до сприймання і перетворення енергії електромагнітних коливань потоку сонячного випромінювання на енергію хімічних зв'язків органічних сполук. За типом живлення дані організми належать до аутотрофних (від грец. aytos – сам, trofos – живлення). Хемотрофні організми у вигляді джерела енергії використовують енергію окислення органічних чи неорганічних сполук. У першому випадку їх відносять до органотрофів, а в другому – до літотрофів. За типом живлення хемотрофні організми є гетеротрофами (від грец. heteros – інший і trofos – живлення). Гетеротрофи не можуть синтезувати складні органічні сполуки з неорганічних і використовувати їх в готовому вигляді. До гетеротрофів належать організми людини, тварин та деякі мікроорганізми. Слід зазначити, що поділ живих організмів на гетеро- та аутотрофи дещо умовний. Досить часто один і той самий організм може мати клітини обох типів. Так, у вищих рослин клітини листків – аутотрофи, а клітини коренів – гетеротрофи.
Для гетеротрофних організмів основним джерелом енергії, яка необхідна для забезпечення процесів життєдіяльності, є енергія хімічних зв'язків між атомами складних органічних сполук – білків, вуглеводів, ліпідів. Такі органічні сполуки гетеротрофні організми одержують з навколишнього середовища як компоненти їжі (поживні речовини). Поживні речовини гетеротрофними організмами використовуються у вигляді джерела енергії та джерела вуглецю. Енергія, яка акумульована в хімічних зв'язках органічних сполук, може бути виділена при розриві їх у результаті гідролізу, фосфоролізу. Так, при гідролітичному розщепленні пептидних зв’язків виділяється 2600 кДж/моль енергії, при розщепленні хімічних зв'язків у молекулі глюкози – відповідно 2881 кДж/моль, тобто кожна органічна сполука, що входить до складу живої матерії, має певний запас потенціальної енергії, акумульованої в хімічних зв'язках. Це так звана загальна внутрішня енергія системи, або енергія зв'язку. Загальна потенціальна енергія сполуки, яка при згоранні її перетворюється на теплоту, називається ентальпією і позначається буквою Н.
Під час перетворення зв'язків рівень загальної потенціальної енергії змінюється. При цьому енергія, що міститься в хімічних зв'язках, розсіюється у вигляді теплоти частково, тобто вивільнення енергії проходить не одномоментно, а поступово і частина її використовується для виконання роботи. В зв'язку з цим у клітині різких температурних змін не спостерігається. Зміна ентальпії (DН) при розриві хімічних зв'язків має такий вираз:
DН = DF + рDV
де DF – зміна загальної енергії системи; р – тиск; DV – зміна об'єму.
Оскільки в біологічних системах зміною об'єму можна знехтувати, то DH » DF.
Частина загальної енергії системи, за рахунок якої може бути виконана певна робота, називається вільною енергією G0. Отже, за рахунок вільної енергії підтримується стабільний стан біологічної системи. Зміна рівня стандартної вільної енергії позначається DG0. Під цим розуміють зміну вільної енергії за нормальних умов: тиск 101,3 кПа, концентрація 1 M і температура 25 °C. Зміну рівня стандартної вільної енергії при рН = 7,0 позначають DG0'. Зміна стандартної вільної енергії хімічної реакції визначається як різниця між вільною енергією вихідних сполук та вільною енергією кінцевих продуктів реакції, тобто зміна вільної енергії системи при переході її з одного стану в інший є критерієм, який дає змогу стверджувати можливість хімічного перетворення згідно з законами термодинаміки.
Зміну вільної енергії системи можна визначити як ту частину зміни загальної енергії, яка може бути використана для виконання роботи системою, що прагне до рівноваги за нормальних умов. Так, зміна вільної енергії в ході реакції А ® В дорівнює:
DG0’ = D H + TDS,
звідки DH = DG0' + TDS, де DG0' – зміна стандартної вільної енергії системи; DH – зміна загальної енергії системи; T – абсолютна температура; DS– зміна ентропії.
Ентропія – це частина загальної енергії системи, яка не використовується для виконання роботи і розсіюється у вигляді теплоти. При будь-якому перетворенні енергії значення ентропії збільшується. Виділення теплоти з точки зору термодинаміки слід розглядати як марну втрату енергії. З наведеного вище рівняння видно, що зміна загальної енергії системи (DH) складається з суми зміни стандартної вільної енергії DG0', яка використовується організмом, та зміни тієї частини загальної енергії, яка розсіюється у вигляді теплоти (TDS). Залежно від знака члена (плюс чи мінус) рівняння (TDS) вільна енергія може бути більшою чи меншою від теплоти реакції. DG0' може мати як додатне, так і від'ємне значення. Його використовують для кількісної характеристики хімічних реакцій, що дає змогу виразити енергетичний стан клітини. Так, у ході реакції A ® В від'ємне значення DG0' свідчить про те, що продукти реакцій містять менше вільної енергії, ніж вихідні сполуки (DG0'В < DG0'A), тобто реакція проходить з виділенням енергії і є екзергонічною. В цьому випадку рівновага реакції зміщується в бік утворення продуктів реакції (самовільні процеси). Якщо DG0' мaє додатне значення, тобто енергоємність продуктів реакції більша, ніж вихідних сполук (DG0'В > DG0'A), реакція без додаткового надходження енергії не відбувається. Дані реакції є ендергонічними і проходять з поглинанням енергії, що надходить ззовні (світлова, теплова, електрична), чи від інших екзергонічних реакцій окислення. Отже, перетворення енергії в організмі підкоряється законам термодинаміки: енергія не зникає і не виникає, а перетворюється з одного виду на інший без зміни загального рівня енергії, тобто організм виграшу в енергії не має. При будь-якому перетворенні енергії відбувається зростання ентропії системи і навколишнього середовища. Ця тенденція зберігається доти, поки не настане стан рівноваги, при якому ентропія має максимальне значення для даних умов. Процес проходить спонтанно за умов збільшення суми ентропії системи (DSc) і навколишнього середовища (DSH.C.)
DSc + DSH.C. > 0.
Зміна ентропії кількісно пов'язана із зміною загальної енергії системи, яку можна виразити як функцію DG0'. Обмін енергії включає такі процеси, як виділення, перетворення, акумулювання та використання енергії організмом, тобто обмін речовин в організмі супроводжується постійним обміном енергії завдяки тісному взаємозв'язку анаболічних реакцій, характерних для асиміляції, та катаболічних реакцій, характерних для дисиміляції. Слід зазначити, що для енергетичних процесів, які здійснюються в живих організмах, властиві певні особливості, наприклад вивільнення, акумулювання та використання енергії. Так, виділення енергії, що міститься в хімічних зв'язках органічних сполук, здійснюється в процесі дисиміляції на певних етапах проміжного обміну. При цьому процес вивільнення енергії здійснюється не одномоментно, а поступово і включає три основні етапи: підготовчий, анаеробне та аеробне окислення.
Підготовчий етап – перетравлювання та всмоктування поживних речовин. На цьому етапі відбувається ферментативне розщеплення високомолекулярних біополімерів (білків, вуглеводів, ліпідів) до мономерних сполук. Так, білки розщеплюються до амінокислот, вуглеводи – до моносахаридів, ліпіди – до гліцерину та жирних кислот. На даному етапі виділяється незначна кількість енергії – менш як 1 %, яка переважно розсіюється у вигляді теплоти. Катаболічними реакціями, що забезпечують виділення енергії на даному етапі, є гідроліз і фосфороліз.
Наступний етап виділення енергії включає анаеробне окислення продуктів гідролітичного розщеплення біополімерів (амінокислот, моносахаридів, жирних кислот) до метаболітів, таких як ацетил-КоА, a-кетоглутарова та щавелевооцтова кислоти. На даному етапі виділяється близько 1/3 енергії, акумульованої в хімічних зв'язках органічних сполук.
Утворені метаболіти включаються далі в наступний етап виділення енергії – аеробне окислення до кінцевих продуктів. При цьому виділяється 2/3 енергії. Аеробне окислення метаболітів здійснюється у циклі Кребса, в якому поєднуються анаболічні та катаболічні реакції, тобто в даному циклі проходить інтеграція анаболічних реакцій, характерних для асиміляції, та катаболічних реакцій, характерних для дисиміляції. Субстрати, що утворюються в циклі Кребса, можуть бути використані як при розщепленні, так і підчас синтезу різних речовин. Як правило, завершальна фаза катаболізму стикується з початковою фазою анаболізму, тобто кінцеві продукти розщеплення можуть бути використані як вихідні продукти синтезу.
У процесі аеробного окислення в циклі Кребса нагромаджуються відновні еквіваленти у вигляді НАД×H2, НАДФ×H2, ФАД×H2, які є генераторами енергії і забезпечують синтез АТФ у процесі тканинного дихання.
Анаболічні реакції, як і катаболічні, складаються з кількох стадій. Синтез складних органічних сполук починається з простих метаболітів, що утворюються в процесі розкладання. При цьому спочатку синтезуються прості сполуки (мономери), які далі перетворюються під час складних ферментативних реакцій на важливі біополімери клітини – білки, вуглеводи, ліпіди. Синтез складних органічних сполук відбувається з використанням енергії АТФ. Тісний взаємозв'язок між анаболічними і катаболічними реакціями здійснюється на кількох рівнях:
1) на рівні джерел вуглецю (кінцеві продукти катаболізму часто є вихідними сполуками анаболічних реакцій);
2) на рівні відновних еквівалентів (при аеробному окисленні нагромаджуються відновні еквіваленти, які використовуються для відновлюючого синтезу складних органічних сполук);
3) на енергетичному рівні (при катаболізмі виділяється та нагромаджується (акумулюється) енергія, яка може бути використана для процесів синтезу).
Анаболічні та катаболічні реакції спряжені за рахунок так званих амфіболічних (об'єднуючих) шляхів метаболізму, одним з яких є цикл Кребса. Треба зазначити, що анаболічні та катаболічні реакції на окремих етапах не співпадають і каталізуються різними ферментними системами. Отже, реакції синтезу не завжди є оборотними реакціями розщеплення. Так, розщеплення та синтез вуглеводів відрізняються трьома суворо специфічними реакціями, які каталізуються різними ферментами. При цьому процеси синтезу часто проходять обхідними шляхами, спряженими з меншими енерговитратами. Використання специфічних шляхів розщеплення і синтезу різних сполук у живих організмах є досить доцільним з багатьох точок зору. Насамперед це дає змогу здійснювати процеси розщеплення і синтезу одночасно і незалежно один від одного.
В організмі існує тісний взаємозв'язок між процесами звільнення та використання енергії. Основна маса енергії, акумульованої в хімічних зв'язках органічних сполук, виділяється при катаболізмі на другому і третьому етапах (анаеробне та аеробне окислення). Однак виділена енергія не використовується безпосередньо для потреб організму, а попередньо перетворюється на доступну форму. Такою універсальною сполукою є ATФ, яка може бути в ролі донора, акцептора та трансформатора енергії. Однак енергія окислення органічних сполук на АТФ не передається, оскільки в клітині безпосередня передача енергії від низько- до високоенергетичних сполук не відбувається. Цей процес здійснюється за участю посередників – макроергічних сполук, які утворюються під час окислення субстратів, і нагромаджують енергію окислення в макроергічних зв'язках.
Макроергічні зв'язки – це зв'язки, при перетворенні яких рівень зміни вільної енергії становить понад 20 кДж/моль. Макроергічні зв'язки позначають знаком тільда (~). Якщо при перетворенні зв'язків рівень зміни вільної енергії становить 12 – 20 кДж/моль, такі сполуки є нормальними в енергетичному відношенні. Таку розмірність зміни рівня стандартної вільної енергії мають більшість органічних сполук. Слід мати на увазі, що поняття „макроергічні зв'язки” не треба плутати з поняттям „енергія зв'язку”. Поняття „енергія зв'язку” включає характеристику енергетичного рівня хімічного зв'язку з точки зору фізичної хімії, тобто величини енергії, необхідної для розриву зв'язку між атомами. Поняття макроергічні зв'язки полягає у врахуванні енергетичного ефекту в результаті перетворення зв'язку через хімічну реакцію. Отже, в розумінні „енергія зв'язку” обидва види зв'язку близькі між собою. Основна відмінність між ними полягає в тому, що при перетворенні макроергічних зв'язків виділяється значно більше енергії, ніж при перетворенні звичайних зв'язків. Так, енергія хімічного зв'язку між двома кінцевими залишками фосфату в молекулі макроергічної сполуки (АТФ) і енергія зв'язку між залишком фосфорної кислоти і глюкози в молекулі глюкозо-6-фосфату приблизно однакові, тобто для розриву зв'язків в першому і другому випадках необхідно витратити однакову кількість енергії. Однак при дослідженні енергетичного ефекту гідролітичного розриву даних зв'язків є суттєва відмінність. Для АТФ зміна рівня стандартної вільної енергії становить 37 – 42 кДж/моль, а для глюкозо-6-фосфату – 13,1 кДж/моль, тобто АТФ є макроергічною сполукою, а глюкозо-6-фосфат – нормальною в енергетичному відношенні.
Макроергічні сполуки, як правило, містять фосфатну групу в a-положенні, яка при розриві макроергічного зв'язку може переноситись на інші сполуки у вигляді радикалу – активного фосфорилу: –PО3Н2.
Залежно від того, між якими атомами виникають макроергічні зв'язки, розрізняють п'ять груп макроергічних сполук: нуклеозидфосфати (АТФ, ГТФ, УТФ); карбоксилфосфати (ацетилфосфат); ацилтіолові ефіри (ацетил KoA); фосфоамідні ефіри (кретинфосфат); енолфосфати (фосфоенолпіровиноградна кислота). У цих сполуках макроергічні зв'язки найчастіше виникають між атомами фосфору і сірки, фосфору і кисню, фосфору і вуглецю, фосфору і водню.
Отже, енергія, що виділяється при окисленні органічних сполук, акумулюється в макроергічних зв'язках, з яких вона разом з активними фосфорними групами передається на АДФ, внаслідок чого синтезується ATФ.
У загальному цей процес можна записати так:
Макроергічні сполуки виконують роль посередників передачі енергії від низькоенергетичних сполук до АТФ. Постійний вміст АТФ у клітинах забезпечується фосфорилюванням АДФ як за рахунок енергії сонячного випромінювання (аутотрофні організми), так і за рахунок аеробного та анаеробного окислення біополімерів (гетеротрофні організми). Крім того синтез АТФ забезпечується за рахунок внутрішньоклітинних систем, що виконують резервну роль. Такою є система креатин-фосфат D креатин, яка може вступати в обмінну реакцію з нуклеозидфосфатами.
Біологічне окислення
Вивчення процесів окислення було започатковано M.В. Ломоносовим та А. Лавуазьє на основі дослідження продуктів згорання. А. Лавуазьє, співставляючи процеси горіння з процесами дихання в живих організмах, звернув увагу на подібність між ними.
При диханні, як і при згоранні, відбувається поглинання кисню і утворення CO2 і H2O. Енергетичний ефект окислення органічних сполук в організмі та згорання їх також виявились тотожними. Так, при окисленні глюкози до кінцевих продуктів і при згоранні її в колориметрі виділяється однакова кількість енергії 2881 кДж/моль. В зв’язку з цим А. Лавуазье висловив припущення, що сполуки в організмі окислюються в результаті їх повільного згорання. Не зрозумілим було ще те, чому „горіння” різних сполук в організмі відбувається при низькій температурі, без полум'я і за наявності води.
Перші спроби з'ясувати особливості та механізм окислення сполук в організмі (біологічного окислення) зробив Ф. Шенбайн, який висловив припущення, що біологічне окислення – це каталітичний процес, необхідною умовою перебігу якого є активація кисню.
На початку XX cт. O.H. Бах та K. Енглер одночасно і незалежно один від одного запропонували гіпотезу, згідно з якою біологічне окислення проходить за рахунок активування кисню і першим етапом даного процесу є утворення пероксидних сполук. Активування кисню здійснюється за рахунок енергії сполук, здатних до самоокислення, та ферментів оксидаз. Такими сполуками є каротини, терпени, полієнові вищі жирні кислоти, в молекулах яких є кратні подвійні зв'язки, внаслідок чого вони легко взаємодіють з молекулярним киснем, утворюючи пероксидні сполуки, які розщеплюються за участю ферментів пероксидаз і утворюють активний кисень. Останній окислює молекули інших органічних сполук, які з молекулярним киснем не реагують.
Оскільки окислення проходить через утворення пероксидних сполук, то теорія O.M. Баха дістала назву пероксидної теорії окислення.
Значний внесок у розуміння процесів біологічного окислення зробив російський біохімік В.І. Палладін. Вивчаючи окислення речовин у рослинах, він встановив, що воно може відбуватися і при відсутності кисню, якщо в реакційному середовищі є речовини, які здатні приєднувати водень. Такими речовинами виявились пігменти – хромогени. Приєднуючи водень від субстратів, які окислюються, вони відновлюються і стають безбарвними. Потім – віддають водень, тобто окислюються, знову набувають забарвлення, перетворюючись на хінони, причому, перетворення проходить за участю кисню повітря.
Слід зазначити, що В.І. Палладін надавав великого значення кисню як акцептора водню і цим самим показав важливу роль кисню в процесах біологічного окислення. Дослідження В.І. Палладіна були підтверджені працями Віланда. Він висловив думку, що дегідрування субстратів є основним процесом, який лежить в основі біологічного окислення, і що кисень взаємодіє вже з активованими атомами водню. Отже, була створена теорія окислення речовин шляхом їх дегідрування, яка дістала назву теорії Палладіна-Віланда.
Основою в підтвердженні даної теорії було відкриття і вивчення цілого ряду дегідрогеназ – ферментів, які каталізують відщеплення атомів водню від різних субстратів. Було доведено, що процеси окислення субстратів – це цілий ланцюг послідовних реакцій, які починаються з дегідрування субстратів і закінчуються перенесенням електронів на кисень та взаємодією останнього з протонами водню з утворенням води. Оскільки при такому окисленні постійно має місце поглинання кисню, то його ще називають тканинним диханням.
Отже, на основі вищенаведених теорій і досліджень створено сучасні уявлення про механізм біологічного окислення, в основі якого лежить пероксидна теорія Баха і теорія Палладіна-Віланда про дегідрування субстратів.
Суть біологічного окислення. Біологічне окислення, яке проходить в організмах людини і тварин, є досить складним процесом. У ньому беруть участь десятки і сотні різних ферментів, внаслідок чого потенціальна енергія, яка міститься в молекулах органічних речовин, вивільняється і використовується в найрізноманітніших процесах життєдіяльності організму.
Процес біологічного окислення проходить поетапно. У ньому беруть участь ферментні системи, які містять у вигляді: небілкової частини НАД+, НАДФ+; ФМН, ФАД, убіхінони і залізопорфіринові комплекси.
На першому етапі біологічного окислення здійснюється дегідрування субстратів – продуктів розщеплення білків, жирів і вуглеводів. Цей процес відбувається за участю ферментів дегідрогеназ (оксидоредуктаз), які містять коферменти НАД+ і НАДФ+. Вони є майже універсальними акцепторами водню для багатьох субстратів – спиртів, альдегідів, дикарбонових і кетокислот, амінів тощо. Віднімаючи від субстратів атоми водню (електрони і протони), вони самі відновлюються, а субстрати при цьому окислюються.
Прикладом дегідрогеназ може бути лактатдегідрогеназа, яка каталізує реакцію дегідрування молочної кислоти.
Далі, на наступному етапі, акцептором атомів водню є група флавінових ферментів, які у вигляді небілкової частини містять ФМН. Вони здійснюють перенесення атомів водню від відновлених НАД або НАДФ.
Наступним етапом є перенесення електронів і протонів від відновлених форм ФМН на убіхінони (коензим Q).
На наступному етапі з коензиму Q протони атомів водню переходять у навколишнє середовище, а електрони поступають на цитохромну систему. Цитохромна система складається з ряду оксидоредуктаз, небілковою частиною яких є залізопорфірини, близькі за своєю будовою до гему. Відомо понад 20 різних цитохромів. Вони позначаються латинськими буквами – а, в, с, d і т.д. В цитохромну систему входять цитохроми і фермент – цитохромоксидаза (аа3). Характерною особливістю цієї системи ферментів є те, що вони переносять електрони з відновленого коензиму Q на кисень, а останній, сполучаючись з іонізованими атомами водню, утворює воду.
Отже, на завершальному етапі дихання здійснюються два процеси – приєднання до кисню електронів і перетворення його на негативно заряджений іон (іонізація), а потім приєднання до іонізованого кисню протонів з утворенням молекули води. Молекулярний кисень O2 приєднує до себе 4 електрони і 4 протони, а оскільки через систему цитохромів переноситься лише 2 електрони, використовується ½ O2 (див. нижче).
У процесі перенесення електронів через систему дихального ланцюга проходить поступове вивільнення акумульованої в них енергії і до кисню вони переносяться вже енергетично бідними, тому утворення води в організмі не супроводжується вибухом, як у випадку утворення гримучого газу.
Отже, в ланцюгу окисно-відновних процесів створюється своєрідний електронний каскад. Послідовність розміщення основних компонентів дихального ланцюга визначається співвідношенням швидкості окислення і відновлення окремих компонентів системи, а також величиною редокс-потенціалів, що виникають між сусідніми компонентами. Перенесення електронів здійснюється завжди від меншого потенціалу до більшого. Для більшості органічних субстратів нормальні редокс-потенціали окисно-відновних систем дорівнюють – 0,6 В.
Окисно-відновна рівновага, окисно-відновний потенціал. Зміна вільної енергії, яка характеризує реакції окислення і відновлення, пропорційна здатності реактантів віддавати або приєднувати електрони. Відповідно, зміну вільної енергії окисно-відновного процесу можна характеризувати не тільки величиною DG, але і величиною окисно-відновного потенціалу системи (Е0). За звичай окисно-відновний потенціал системи (Е0) порівнюють з потенціалом водневого електрону, приймаючи останній за 0,00 В при рН = 0. Однак, для біологічних систем правильніше використовувати окисно-відновний потенціал при рН = 7 (Е0'); при такому рН потенціал водневого електрону дорівнює – 0,42 В. Окисно-відновні потенціали деяких систем, які представляють особливий інтерес для біохімії ссавців, наведені в таблиці 1. Використовуючи цю таблицю, можна передбачити, в якому напрямку піде потік електронів при спряженні однієї окисно-відновної системи з іншою.
Ферменти і коферменти, які приймають участь в окисно-відновних процесах. Ферменти, які каталізують окисно-відновні процеси, називаються оксидоредуктазами. Їх ділять на 5 груп.
Таблиця 1
Стандартні потенціали деяких окисно-відновних систем
Система |
Е’0, вольт |
|
Кисень / вода |
+ 0,82 |
|
Цитохром a: Fe3+ / Fe2+ |
+ 0,29 |
|
Цитохром с: Fe3+ / Fe2+ |
+ 0,22 |
|
Убіхінон: окислений / відновлений |
+ 0,10 |
|
Цитохром b: Fe3+ / Fe2- |
+ 0,08 |
|
Фумарат / сукцинат |
+ 0,03 |
|
Флавопротеїн («жовтий фермент»): окислений / відновлений |
– 0,12 |
|
Оксалоацетат / малат |
– 0,17 |
|
Піруват / лактат |
– 0,19 |
|
Ацетоацетат / b-гідроксибутират |
– 0,27 |
|
Ліпоат: окислений / відновлений |
– 0,29 |
|
НАД+ / НАДН |
– 0,32 |
|
Н+ / Н2 |
– 0,42 |
|
Сукцинат / a-кетоглутарат |
– 0,67 |
1) Оксидази. Істинні оксидази каталізують видалення водню із субстрату, використовують як акцептор тільки кисень. Вони обов’язково містять мідь, продуктом реакції є вода (виключення складають реакції, які каталізуються уриказою і монооксидазою, в результаті яких утворюється Н2О2 ):
Цитохромоксидаза – гемопротеїн, широко розповсюджений в рослинних і тваринних тканинах. Вона служить кінцевим компонентом ланцюга дихальних переносників, локалізованих в мітохондріях, і каталізує реакцію, в результаті якої електрони, вивільняються із молекул субстрату при їх окисленні дегідрогеназами, переносяться на кінцевий акцептор – кисень. Даний фермент отруюється оксидом вуглецю, ціанідом сірководнем. Інколи цитохромоксидазу називають цитохромом аа3. Спочатку припускали, що цитохром а і цитохром а3 – це автономні гемопротеїни, оскільки кожний з них характеризується визначеним спектром, крім того, вони виявляють різну чутливість до дії оксиду вуглецю і ціаніду. Однак було доведено, що вони входять до складу комплексу, який одержав назву цитохром аа3. Він містить дві молекули гема, у кожній з який атом заліза може переходити зі стану Fe2+ у стан Fe3+ і назад у ході окислення і відновлення, а також два атоми Сu, кожний з яких взаємодіє з одним з гемів.
Фенолаза (тирозиназа, поліфенолоксидаза, катехолоксидаза) – це мідьвмісний фермент із широкою специфічністю. Він каталізує перетворення монофенолу (у присутності о-дифенолу) у о-хінон. Мідь виявлена в ряді інших ферментів, зокрема в уриказі, яка каталізує окислення сечової кислоти в алантоїн, і в моноамінооксидазі, яка окислює адреналін і тирамін у мітохондріях.
2) Аеробні дегідрогенази – ферменти, які каталізують видалення водню із субстрату; на відміну від оксидаз вони як акцептор водню можуть використовувати не тільки кисень, а і штучні акцептори, такі, як метиленовий синій. Ці дегідрогенази відносяться до флавопротеїнів, і продуктом реакції, яку вони каталізують є пероксид водню, а не вода:
,
Глюкозооксидаза – ФАД-специфічний фермент, який одержують із грибів. Вона важлива тим, що використовується при визначенні глюкози.
Механізм окислення і відновлення, що здійснюється цими ферментами, дуже складний. Судячи з наявних даних, відбувається двостадійне відновлення ізоаллоксазонового кільця з проміжним утворенням семіхінона (вільного радикала):
3) Анаеробні дегідрогенази – ферменти, які каталізують видалення водню із субстрату, але не здатні використовувати кисень як акцептор водню. До цього класу належить велике число ферментів. Вони виконують дві функції:
а) перенесення водню з одного субстрату на інший в спряженій окисно-відновній реакції:
Ці дегідрогенази специфічні до субстратів, але часто використовують один і той же кофермент або переносник водню. Оскільки реакції, які розглядаються оборотні, то вони забезпечують у клітині вільне перенесення відновних еквівалентів. Реакції цього типу призводять до окислення одного субстрату за рахунок відновлення іншого, особливо важливі для здійснення окисних процесів за відсутності кисню.
б) функцію компонентів дихального ланцюга забезпечуючи транспорт електронів від субстрату на кисень:
Поділяються на:
Дегідрогенази, залежні від нікотинамідних коферментів. До цієї категорії належить багато дегідрогеназ. Вони специфічні або до нікотинамідаденіндинуклеотиду (НАД+), або до нікотинамідаденіндинуклеотидфосфату (НАДФ+), які виконують роль коферментів (рис. 1). НАД+ і НАДФ+ утворюються в організмі людини з вітаміну В5. Для синтезу НАД+ чи НАДФ+ ферменти, які знаходяться в цитозолі більшості клітин, використовують тільки нікотинову кислоту, але не нікотинамід. Нікотинамідний фрагмент НАД+ утворюється з нікотинатного фрагмента, коли останній знаходиться в складі нуклеотиду; амідна група надходить від глутаміну (рис. 1).
Рис 1. Синтез і розклад нікотинамідаденіндинуклеотиду (НАД).
Є дані про те, що в мітохондріях для синтезу НАД+ використовується нікотинамід. Коферменти відновлюються специфічними субстратами дегідрогеназ і окислюються адекватним акцептором електронів (рис. 2).
НАД+ + AH2 D НАДH + H+ + A
Рис 2. Механізм окислення і відновлення нікотинамідних коферментів.
У загальному випадку НАД-залежні дегідрогенази каталізують окисно-відновні реакції окисних шляхів метаболізму – гліколізу, циклу лимонної кислоти, дихального ланцюга мітохондрій. НАДФ-залежні дегідрогенази беруть участь у процесах відновного синтезу, зокрема у позамітохондріальному синтезі жирних кислот і стероїдів; вони також є коферментами дегідрогеназ пентозофосфатного шляху. Деякі дегідрогенази, які функціонують з нікотинамідними коферментами, містять іон цинку, зокрема алкогольдегідрогеназа печінки і гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназа скелетних м'язів. Припускають, що іони цинку не беруть участь безпосередньо в процесах окислення і відновлення.
Рибофлавінзалежні дегідрогенази. Флавінові групи цих дегідрогеназ ті ж, що й в аеробних дегідрогеназ, ФМН і ФАД. Більшість рибофлавін-залежних анаеробних дегідрогеназ або бере участь у транспорті електронів по дихальному ланцюзі, або поставляє електрони для цього ланцюга. НАДФ-дегідрогеназа – компонент дихального ланцюга, яка переносить електрони від НАДН до більш електропозитивних компонентів. Інші дегідрогенази, наприклад сукцинатдегідрогеназа, ацил-СоА-дегідрогеназа і мітохондріальна гліцерол-3-фосфат-дегідрогеназа переносять відновні еквіваленти від субстрату безпосередньо на дихальний ланцюг. Ще одна функція флавін-залежних дегідрогеназ – каталіз дигідроліпоїл-дегідрогеназою дегідрування відновленого ліпоату (інтермедіату при окисному декарбоксилуванні пірувату й a-кетоглутарату). У цьому випадку внаслідок низького значення окисно-відновного потенціалу системи ліпоату переносником водню від відновленого ліпоату до НАД+ є флавопротеїн (ФАД). Електрон-переносний флавопротеїн є проміжним переносником електронів між ацил-СоА-дегідрогеназою і дихальним ланцюгом.
в) Цитохроми. За винятком розглянутої вище цитохромоксидази, цитохроми класифікуються як анаеробні дегідрогенази. Їх ідентифікація і вивчення полегшуються тією обставиною, що у відновленому стані вони мають характерні смуги в спектрі поглинання, які зникають при окисленні. У дихальному ланцюзі вони служать переносниками електронів від флавопротеїнів до цитохромоксидази. Цитохроми є залізовмісними гемопротеїнами, у яких атом заліза переходить зі стану Fe2+ у Fe3+ і назад у процесі окислення і відновлення. До складу дихального ланцюга входять цитохроми b, с1, с, а і а3 (цитохромоксидаза). З них розчинним є тільки цитохром с. Крім дихального ланцюга цитохроми містяться в ендоплазматичному ретикулумі (цитохроми Р450 і b5), у рослинних клітинах, бактеріях і дріжджах.
Відновлення нікотинаміду субстратом (АН2) по положенню 4 відбувається стереоспецифічно. Один з атомів водню переноситься від субстрату в положення 4 у виді ядра водню з двома електронами (гідрид-іон, Н- ): він може приєднатися або в А-, або у В-положенні в залежності від специфічності дегідрогенази, яка каталізує дану реакції. Інший водень, який відщеплюється від субстрату, залишається вільним у виді іона водню.
4) Гідроксипероксидази – ферменти, які використовують як акцептор перекис водню або органічні перекиси. До цієї категорії відносяться два типи ферментів: пероксидази, які знаходяться в складі молока, в рослинах, лейкоцитах, тромбоцитах, еритроцитах і т.д., і каталаза, яка функціонує в тканинах тварин і рослин.
Пероксидаза. Спочатку пероксидази вважалися рослинними ферментами, пізніше вони були виявлені також у молоці, лейкоцитах, тромбоцитах, а також у тканинах, у яких відбувається метаболізм ейкозаноїдів. Простетичною групою є протогем, який на відміну від гемових груп більшості гемопротеїнів дуже слабко зв'язаний з апоферментом. У реакції, яку каталізує пероксидаза, перекис водню відновлюється за рахунок сполук, що виступають як донори електронів, таких, як аскорбат, хінони чи цитохром с. Реакція, яку каталізує пероксидаза, має складний характер; сумарна реакція виглядає в такий спосіб:
Н2О2 + АН2 2Н2О + А
В еритроцитах глутатіонпероксидаза, яка містить як простетичну групу – селен, каталізує розклад Н2О2 і гідроперекисів ліпідів відновленим глутатіоном і в такий спосіб захищає ліпіди мембран і гемоглобін від окислення перекисами.
Каталаза. Гемопротеїн, який містить чотири гемові групи. Поряд з пероксидазною активністю каталаза здатна використовувати одну молекулу Н2О2 як донор електронів, а іншу – як окислювач, тобто акцептор електронів. In vivo у більшості випадків каталаза розкладає пероксид водню:
2Н2О2 2Н2О + О2
Каталаза міститься у крові, кістковому мозку, мембранах слизових оболонок, нирках і печінці. Її функція – розкладання перекису водню, що утворюється при дії аеробних дегідрогеназ. У багатьох тканинах, включаючи і печінку, виявлені мікротільця, пероксисоми, які багаті аеробними дегідрогеназами і каталазою. Очевидно, біологічно вигідно групувати як ферменти, що призводять до утворення Н2О2, так і ферменти, що розкладають його в одному місці:
До ферментів, що забезпечують утворення Н2О2, крім пероксисомних ферментів відносяться також мітохондріальні і мікросомні системи транспорту електронів.
5) Оксигенази – ферменти, які каталізують пряме введення кисню в молекулу субстрату.
а) Діоксігенази (кисень-трансферази, істинні оксигенази). Ці ферменти каталізують включення в молекулу субстрату обох атомів молекули кисню:
А + О2 ® АО2.
Приклад – залізовмісні ферменти гомогентизатдіоксігеназа і 3-гідроксиантранілат-діоксігеназа із супернатантної фракції гомогенату печінки, а також гемвмісні ферменти, зокрема L-триптофандіоксігеназа (триптофанпіролаза) з печінки.
б) Монооксигенази (оксидази зі змішаною функцією, гідроксилази). Ці ферменти каталізують включення в субстрат тільки одного з атомів молекули кисню. Інший атом кисню відновлюється до води; для цього необхідний додатковий донор електронів (косубстрат):
А–Н + О2 + ZH2 ® А–ОН + Н2О + Z
Мікросомні цитохром Р450-вмісні монооксигеназні системи. До цієї групи належать ферменти, які беруть участь у метаболізмі багатьох лікарських речовин шляхом їх гідроксилювання. Вони знаходяться в мікросомах печінки разом з цитохромом Р450 і цитохромом b5. Відновниками цих цитохромів є НАДН і НАДФН (рис. 3); цитохроми окислюються субстратами в результаті серії ферментативних реакцій, які складають так званий гідроксилазний цикл (рис. 4):
Лік–Н + О2 + 2Fe2+(P450) + Н+ Лік–ОН + Н2О + 2Fe3+
(Лік – лікарська речовина).
Рис 3. Ланцюг транспорту електронів в мікросомах.
Ціанід (CN-) гальмує стадію, вказану на рисунку.
Рис 4. Цитохром Р450-гідроксилазний цикл у мікросомах.
До лікарських речовин, метаболізм яких відбувається за участю розглянутих систем, відносяться: бенз[a]пірен, амінопірин, анілін, морфін і бензофетамін. Багато лікарських речовин, наприклад фенобарбітал, здатний індукувати синтез мікросомних ферментів і цитохрому Р450.
Мітохондріальні цитохром Р450-вмісні монооксигеназні системи. Ці системи знаходяться в стероїдогенних тканинах – у корі наднирників, у сім’яниках, яєчниках і плаценті; вони беруть участь у біосинтезі стероїдних гормонів з холестеролу (гідроксилювання по С22 і С20 при відщепленні бічного ланцюга і по положеннях 11b і 18). Ферменти ниркової системи каталізують гідроксилювання 25-гідроксихолекальциферолу по положеннях 1a і 24; у печінці відбувається гідроксилювання холестеролу по положенню 26 при біосинтезі жовчних кислот. У корі наднирників вміст мітохондріального цитохрома Р450 у шість разів вище, ніж вміст цитохромів дихального ланцюга. Монооксигеназна система складається з трьох компонентів, локалізованих у внутрішній мітохондріальній мембрані на границі з матриксом: НАДФ-специфічного ФАД-вмісного флавопротеїну, Fе2S2-білка (адренодоксину) і цитохрома Р450 (рис. 5).
Рис 5. Мітохондріальна цитохром Р450-монооксигеназна система.
Наведена система типова для гідроксилаз стероїдів у корі наднирників. Мікросомна цитохром Р450-гідроксилаза печінки не має потреби в присутності залізо-сірчаного білка Fe2S2. Оксид вуглецю (СО) гальмує зазначену на рисунку стадію.
Fe2S2 – залізо-сірчаний білок (адренодоксин). Оскільки НАДФ(H) не може проникати в мітохондріальну мембрану, джерелами відновних еквівалентів є такі субстрати, як малат і ізоцитрат, для яких усередині мітохондрій є специфічні НАДФ-залежні дегідрогенази.
Супероксид утворюється в ході одноелектронного окислення молекулярним киснем відновленого флавіну, наприклад флавіну в складі ксантиндегідрогенази. Він утворюється також при одноелектронному окисленні молекулярним киснем відновленого компонента дихального ланцюга:
Enz–H2 + O2 ® Enz–H + O2-. + H+.
Супероксид може відновлювати окислений цитохром с:
О2-. + Цит с (Fе3+) ® О2 + Цит с (Fе2+).
Він відщеплюється також специфічним ферментом – супероксиддисмутазою:
О2-. + О2-. + 2Н+ Н2О2 + О2
У цій реакції супероксид виступає одночасно як окислювач, так відновник. Хімічна дія супероксиду в тканинах підсилюється в результаті ініціювання ланцюгової реакції утворення вільних радикалів. Було висловлено припущення, що О2-., зв'язаний з цитохромом Р450, є інтермедіатом при активації кисню в процесі реакцій гідроксилювання (рис 4).
Функцією супероксиддисмутази є, очевидно, захист аеробних організмів від ушкоджуючої дії супероксиду. Фермент виявляється в декількох внутрішньоклітинних кампартментах. Цитозольний фермент складається з двох подібних субодиниць, які містять по одному іонові Сu2+ і Zn2+; мітохондріальний фермент, так само як і фермент, виявлений у бактерій, містить іон Мn2+. Ця обставина служить ще одним доказом на користь гіпотези про походження мітохондрій із прокаріот, що вступили в симбіоз із протоеукаріотами. Дисмутаза присутня у всіх основних тканинах аеробів. Перебування тварин в атмосфері 100%-ного кисню викликає адаптивне підвищення вмісту дисмутази, особливо в легенях; тривале перебування в такій атмосфері призводить до ушкодження легень і летальному результату. Антиоксиданти, наприклад a-токоферол (вітамін Е), здатні вловлювати вільні радикали, такі, як О2-., знижуючи тим самим токсичність кисню.
Окислювальне фосфорилювання
Розглянуті вище реакції окислення – відновлення різних субстратів, що здійснюються в живих організмах у процесі внутрішньоклітинного обміну, дістали назву біологічного окислення. Процеси біологічного окислення, що проходять у клітинах гетеротрофних організмів, є основним джерелом енергії, необхідної для забезпечення їхньої життєдіяльності. Енергія, що виділяється при анаеробному та аеробному окисленні різних субстратів, нагромаджується в макроергічних зв'язках АТФ – універсальної сполуки, яка може виступати в ролі акумулятора, трансформатора та донора енергії. Близько 50 % енергії окислення органічних сполук резервується в макроергічних зв'язках АТФ. Утворюється АТФ з АДФ і активного фосфату, причому активація останнього і перетворення його на активний фосфорил відбуваються за рахунок енергії окислення органічних сполук. Синтез АТФ з АДФ і неорганічного фосфату, активація якого спряжена з процесами окислення в організмі, називається фосфорилюючим окисленням. Залежно від принципу енергетичного спряження розрізняють фосфорилююче окислення на рівні субстрату та на рівні електронно-транспортного ланцюга. Фосфорилююче окислення на рівні субстрату – це синтез АТФ з АДФ і активного фосфорилу внаслідок перенесення його з продукту окислення субстрату на АДФ. Так синтезується незначна кількість АТФ. Реакції фосфорилюючого окислення на рівні субстрату здійснюються зокрема в процесі анаеробного окислення вуглеводів. Так, у процесі окислення глюкозо-6-фосфату утворюється субстрат, що має макроергічний зв'язок – 1,3-дифосфогліцеринова кислота, яка може передавати активний фосфорил на АДФ, внаслідок чого утворюється молекула АТФ (див. обмін вуглеводів).
У процесі гліколізу проходить ще одна реакція фосфорилюючого окислення (на рівні субстрату) – при перенесенні активного фосфорилу з фосфоенолпірувату, продукту окислення глюкозо-6-фосфату на АДФ (див. обмін вуглеводів).
На третьому етапі виділення енергії (під час аеробного окислення в циклі Кребса) також відбувається реакція фосфорилюючого окислення на рівні субстрату – під час перенесення активного фосфорилу з сукцинілфосфату на ГДФ (див. обмін вуглеводів). Утворена молекула ГТФ вступає в обмінну реакцію АДФ, внаслідок чого утворюється молекула АТФ:
ІТФ + АДФ ® АТФ + ГДФ.
Другий вид енергетичного спряження – фосфорилююче окислення на рівні електронно-транспортного ланцюга – здійснюється в процесі тканинного дихання або біологічного окислення на рівні електронно-транспортного ланцюга.
Значний внесок у з'ясування цього механізму зробили В.П. Скулачов, С.Є. Северин, П. Мітчелл. Дослідженнями було встановлено, що в процесі біологічного окислення під час перенесення протонів та електронів по системі дихального ланцюга, спряжених з процесами окислення, на певних його ділянках відбувається активація неорганічного фосфату і перетворення його на активний фосфорил, який взаємодіє з АДФ і забезпечує синтез АТФ. При перенесенні електронів по системі дихального ланцюга вільна енергія системи поступово зменшується. Згідно з розрахунками, стандартна зміна вільної енергії системи при перенесенні двох електронів по системі дихального ланцюга становить 220 кДж, що достатньо для синтезу 6 – 7 молекул АТФ (враховуючи, що вільна енергія гідролізу АТФ в середньому дорівнює 30,6 кДж; 220 : 30,6 = 7). Однак дослідженнями було встановлено, що при перенесенні двох електронів по системі дихального ланцюга синтезується лише три молекули АТФ, тобто існує три пункти спряження, на яких процес окислення забезпечує активацію неорганічного фосфату і перенесення активного фосфорилу на АДФ. Саме на цих ділянках рівень зміни вільної енергії системи достатній для синтезу АТФ:
Перша молекула АТФ синтезується при перенесенні електронів і протонів від нікотинамідних до флавінових коферментів, друга – при перенесенні електронів від цитохрому b до цитохрому с, третя – утворюється на ділянці перенесення електронів з цитохромоксидази (аа3) на кисень. Отже, під час окислення двох атомів водню в дихальному ланцюгу утворюється три молекули АТФ.
Ступінь спряження окислення і фосфорилювання може бути різний, залежно від умов та стану клітини. Показником спряження окислення і фосфорилювання є коефцієнт Р/О (коефіцієнт фосфорилювання) або відношення зв'язаного неорганічного фосфату до поглиненого в процесі дихання кисню (Р/О = 3, якщо первинною дегідрогеназою є НАД+ і Р/О = 2, якщо водень з субстрату відщеплюють флавінові дегідрогенази). Інтенсивність процесу фосфорилюючого окислення регулюється співвідношенням АТФ/АДФ. Чим менше це співвідношення, тим інтенсивніше відбувається дихання та утворення АТФ.
Фосфорилююче окислення на рівні електронно-транспортного ланцюга відбувається в мітохондріях. Ферментні системи, що каталізують даний процес, локалізовані у внутрішніх мембранах мітохондрій:
Враховуючи їхні функції в спряженні процесів окислення і фосфорилювання, В.П. Скулачов назвав їх „спряжуючими”. Оскільки в процесі фосфорилюючого окислення на рівні електронно-транспортного ланцюга утворюється основна маса АТФ – сполуки, якій належить центральна роль в енергозабезпеченні організму, мітохондрії дістали назву „енергетичних станцій” клітини. Існує кілька гіпотез щодо пояснення механізму фосфорилюючого окислення в процесі біологічного окислення на рівні електронно-транспортного ланцюга.
Хімічна гіпотеза. В основу всіх хімічних гіпотез покладено уявлення про те, що окислення субстратів сприяє утворенню макроергічних зв'язків між неорганічним фосфатом та певними органічними сполуками, з яких він переноситься на АДФ. Хімічна гіпотеза була запропонована Ліпманом. Суть її полягає в тому, що енергія, яка виділяється при перенесенні електронів у дихальному ланцюгу, спочатку використовується для утворення певних гіпотетичних, багатих на енергію сполук, а потім передається для синтезу АТФ. Схематично цей процес можна показати так:
А-Н2 + Х + Б D А~X + Б-Н2; А~Х + Фн = А + Х~Ф; X~Ф + АДФ = X + АТФ,
де А і Б – речовини, що переносять електрони; Фн – неорганічний фосфат; X – невідома, гіпотетична речовина.
Однак хімічна гіпотеза до цього часу не дістала експериментального підтвердження.
Конформаційні гіпотези. Ці гіпотези пояснюють синтез АТФ з АДФ і неорганічного фосфату внаслідок конформаційних переходів, які виникають під час окислення. Проте гіпотези експериментального підтвердження не знайшли, хоча окремі моменти їх були використані П. Мітчеллом при розробці хеміосмотичної концепції спряження процесів окислення та фосфорилювання на рівні електронно-транспортного ланцюга, яка нині є загальноприйнятою. Основним постулатом гіпотези є те, що під час функціонування електронно-транспортних ланцюгів виникає осмотична енергія (енергія концентраційного градієнта), яка використовується для здійснення хімічної роботи – синтезу АТФ (звідки і назва – хеміосмотична гіпотеза), тобто гіпотеза передбачає перехід хімічної енергії, що виділяється під час транспорту електронів, на градієнт мембранного електрохімічного потенціалу іонів водню та перетворення останнього на стабільну енергію макроергічних зв'язків АТФ. Рушійною силою процесу фосфорилювання є градієнт електрохімічного потенціалу протонів водню (D`mН+), що виникає на спряжуючій мембрані, яка має високий електричний опір та низьку проникність для заряджених часточок (іонів Н+ та ОН–). Перенесення їх забезпечується протонними насосами, які відкачують протони з матрикса в міжмембранний простір (проти градієнта концентрації), внаслідок чого відбувається закислення міжмембранного простору. Зовнішня частина спряжуючої мембрани при цьому набуває позитивного заряду. Однак у матриксі створюється надлишок іонів ОН–, що призводить до підлуження середовища та появи негативного заряду на внутрішній частині спряжуючої мембрани (збоку матрикса). Отже, електрохімічний потенціал (D`mН+), який виникає на спряжуючій мембрані, складається з двох компонентів – електричного (різниці електричних потенціалів – DY) та осмотичного (концентраційного – DрН):
D`mН+ = DY + DрН.
Зворотний потік протонів (за градієнтом концентрації) відбувається через Н+–АТФ-азний комплекс. Саме цей потік протонів забезпечує синтез АТФ. Н+–АТФ-азний комплекс спряжуючої мембрани – це фермент АТФ-синтетаза, який складається з фактора F1 та мембранних компонентів (комплексу F0). Фактор F1-мультимер з молекулярною масою 360 тис., складається з п'яти типів субодиниць – a, b, g, t, e. Основні каталітичні функції даного комплексу забезпечуються a- і b-субодиницями. На a-субодиниці локалізується активний центр фактора, а на b-субодиниці – центр зв'язування субстрату (АДФ, Фн). До складу комплексу F0 входять кілька видів білків з молекулярною масою 19 – 30 тис., які забезпечують утворення протонпровідного каналу та спрямованість потоку протонів. Комплекс F0 виконує роль рецепторної та спряжуючої ділянок ферменту, а фактор F1 – каталітичної. Н+–АТФ-азний комплекс локалізується в спряжуючій мембрані мітохондрій так, що комплекс F0 пронизує всю мембрану, а фактор F1 – локалізується на внутрішньому боці мембрани мітохондрій (з боку матрикса). Цей комплекс нагадує грибоподібні вирости, в яких ніжка гриба пронизує товщу мембрани, а головка – локалізується на поверхні крист.
Нині існує кілька пояснень механізму спряження окислення і фосфорилювання. Суть більшості з них полягає в тому, що процес спряження здійснюється внаслідок використання енергії (D`mН+) при нагромадженні протонів (Н+) в активному центрі Н+–АТФ-азної системи, розміщеної у факторі F1. Нагромадження їх призводить до активації неорганічного фосфату, утворення активного фосфорилу, зв'язаного b-субодиницею фактора F1 внаслідок зняття з нього групи ОН та елімінації (видалення) води у матрикс. Одночасно відбувається й активація АДФ, зв'язаного з цією самою субодиницею фактора F1 після втрати протона при взаємодії з групою ОН матрикса. Активований фосфат і АДФ, сполучаючись, утворюють молекулу АТФ. Згідно з іншою концепцією, утворення АТФ відбувається так: протони Н+ в активному центрі спряжуючого фактора активують фосфат і карбоксильну групу однієї з субодиниць фактора F1, внаслідок чого утворюється фосфоензим з макроергічним зв'язком. При взаємодії АДФ з фосфоензимом утворюється АТФ. Існує також припущення, що роль протонів Н+ полягає у зміні конформації фактора F1 і що саме конформаційні видозміни активного центру Н+–АТФ-азного комплексу є рушійною силою для синтезу АТФ.
В результаті досліджень П. Бойєра було встановлено, що швидкий і зворотний синтез АТФ може відбуватися в активному центрі АТФ-ази без затрат енергії (D`mН+). Стадією, що лімітує дану реакцію, є виділення синтезованої АТФ з активного центру ферменту в матрикс, тобто з гідрофобної фази у водну.
Саме цей процес прискорюється при енергизації мембрани. Згідно з гіпотезою П. Мітчелла, на кожній мембрані є два протони, що транспортуються по електронно-транспортнсму ланцюгу крізь мембрану, внаслідок чого синтезується одна молекула АТФ. Отже, ланцюг перенесення електронів має три протонних насоси, що відповідають трьом ділянкам спряження. Дихальний ланцюг тричі перетинає внутрішню мембрану, при цьому кожна пара електронів, що переносяться від НАД×Н2 до кисню, виділяє три пари протонів із внутрішнього матрикса і переносить у міжмембранний простір. Цим зумовлене чергування в дихальному ланцюгу переносників протонів і електронів.
Крім окислення, спряженого з процесами фосфорилювання та синтезом АТФ, існує так зване вільне або нефосфорилююче окислення. Ферментні системи вільного окислення локалізовані на зовнішньому боці внутрішньої мембрани мітохондрій, а також на мембранах ендоплазматичного ретикулуму та інших клітинних органел. Вільне окислення, як правило, процесами фосфорилювання та спряженими з ними процесами синтезу АТФ не супроводжується. Енергія, що утворюється в процесі вільного окислення, розсіюється у вигляді теплоти. Вважають, що система дихального ланцюга, яка забезпечує фосфорилююче окислення, може переключатись на процеси вільного окислення, що відіграє важливу роль у процесах адаптації організму до умов навколишнього середовища. Зокрема, досліджено, що при охолодженні організму фосфорилююче окислення послаблюється, а вільне окислення, навпаки, посилюється. Внаслідок цього енергія окислення органічних сполук генерується на теплоту тіла, тобто в організмі існують механізми, що забезпечують зміну співвідношення між фосфорилюючим та вільним окисленням. Сполуки, що гальмують спряженість процесів окислення та фосфорилювання, називаються роз'єднуючими факторами.
У ролі роз'єднувачів можуть виступати різні метаболіти, біологічно активні сполуки, хімічні агенти, лікарські препарати тощо. Так, гормон тироксин послаблює спряженість процесів окислення і фосфорилювання, а інсулін, навпаки, посилює даний процес. У зв'язку з цим при надмірній секреції тироксину внаслідок гіперфункції щитовидної залози, як правило, спостерігається підвищення температури, хворі погано переносять тепло. Із хімічних агентів у ролі роз'єднувачів виступають такі сполуки, як динітрофенол, дикумарини та ін. Значно послаблюють спряженість процесів окислення і фосфорилювання також токсини патогенних мікроорганізмів, які викликають інфекційні захворювання, що супроводжуються підвищенням температури. За цих умов лікарські препарати, такі як ацетилсаліцилова кислота, фенацетин та інші, згубно діють на збудників захворювань і сприяють відновленню спряження між процесами окислення та фосфорилювання, в результаті чого знижується температура організму.
Зміна співвідношення між процесами фосфорилюючого та вільного окислення досить важлива для тварин, які впадають в анабіоз. Процеси життєдіяльності в цих тварин підтримуються на низькому рівні й енергетичні витрати мінімальні, тому в них процеси вільного окислення переважають над фосфорилюючим окисленням. Такі тварини мають запаси бурого жиру, що містить велику кількість мітохондрій, які спеціалізуються на продукуванні теплоти, що зігріває кров. У вигляді роз'єднувачів у даному випадку є жирні кислоти, що утворюються при розщепленні жирів і надходять у кров. Як тільки запаси жиру вичерпуються, процеси фосфорилювання поновлюються і тварини виходять з анабіозу. Це досить часто трапляється з тваринами, в яких запаси жиру недостатні, внаслідок чого стан анабіозу припиняється серед зими.
Зміна співвідношення між процесами фосфорилюючого та вільного окислення відіграє важливу роль в адаптації організмів до зміни умов навколишнього середовища. Отже, основною сполукою, що відіграє вирішальну роль в енергозабезпеченні організму, є АТФ, синтез якої здійснюється спряжено з процесами окислення в організмі. Енергія, що акумулюється в макроергічних зв'язках АТФ, може бути використана для різних потреб організму, процесів синтезу, руху, транспорту іонів, виконання роботи. Це зумовлено тим, що АТФ може виступати не лише в ролі акумулятора енергії, але і її трансформатора та донора. АТФ відіграє провідну роль в енергообміні, що пов'язано з особливостями її будови. Завдяки наявності сильного негативного заряду, за рахунок іонізованих фосфатних груп, відбувається зближення пуринового циклу з залишками фосфату. При цьому стабільна енергія, що вивільнюється під час розриву макроергічних зв'язків у молекулі АТФ, передається на пуриновий цикл і трансформується на мобільну енергію збудження електронів системи спряжених подвійних зв'язків пуринового циклу. Це викликає перехід у збуджений стан електронів хімічних сполук, що підлягають перетворенню, і надає їм підвищену реакційну здатність, створюючи потенційну можливість для зворотного перетворення мобільної енергії збуджених електронів на стабільну енергію хімічних зв'язків. Трансформація стабільної енергії фосфоангідридних зв'язків на мобільну енергію збуджених електронів пуринового циклу та зворотній процес – перетворення мобільної енергії збуджених електронів в стабільну енергію хімічних зв'язків органічних сполук є першим етапом перетворення енергії в організмах.
При енергетичному обміні в організмі основною ланкою є аденілатна система: АТФ та продукти її гідролізу – АДФ, АМФ, Фн і пірофосфат. Ця система подібно до акумулятора може заряджатись енергією від певних генераторів і передавати її на інші сполуки, забезпечуючи процеси енергетичного обміну, тобто в організмі проходить постійне утворення АТФ (нагромадження енергії) та її розщеплення, що супроводжується вивільненням енергії:
АДФ + Фн ® АТФ; АТФ ® АДФ + Фн.
При гідролізі АТФ утворюються молекула АДФ і неорганічний фосфат. Рівень зміни стандартної вільної енергії при цьому становить 37 – 42 кДж/моль. Під час гідролізу кінцевої фосфатної групи АДФ спостерігається близька величина зміни рівня стандартної вільної енергії, однак АДФ не є макроергічною сполукою, оскільки виділена енергія розсіюється у вигляді теплоти. При гідролізі АМФ рівень зміни стандартної вільної енергії становить 9,6 кДж/моль, тобто АМФ і АДФ не є макроергічними сполуками.
Крім схеми, наведеної вище, гідроліз АТФ може проходити з відщепленням двох залишків фосфату:
АТФ ® АМФ + Н4Р2О7
Пірофосфат, що утворюється при цьому, є макроергічною сполукою, однак його використання в обмінних процесах обмежене в зв'язку з тим, що під час гідролізу його макроергічних зв'язків вивільнюється теплова енергія.
Лекція № 10. Обмін вуглеводів.
Обмін вуглеводів є складовою частиною загального обміну речовин і енергії в організмах людини і тварини. Він складається з чотирьох етапів: перетравлювання, всмоктування, проміжного і кінцевого обмінів.
Перетравлювання вуглеводів
Вуглеводи складають основу рослинних кормів. У більшості з них вони знаходяться у вигляді оліго-, гомо- і гетерополісахаридів, складових частин глюко- і мукопротеїдів, нуклеїнових кислот, біокомплексних сполук. Для засвоєння таких вуглеводів організмом необхідне їх попереднє гідролітичне розщеплення до простих цукрів: глюкози, фруктози, манози, галактози, рибози, дезоксирибози, арабінози, ксилози і т.д. Таке розщеплення починається з моменту попадання їжі в ротову порожнину.
У ротовій порожнині їжа механічно подрібнюється, змочується слиною, перемішується і перетворюється на харчову грудку.
Слина – змішаний секрет трьох залоз: привушної, підщелепної і під'язикової. Це мутнувата рідина (інколи – прозора), з r = 1,002 – 1,010 і D – 0,25 – 0,50. Значення рН коливається від 7,2 – 7,6 до 8,2 – 8,5. Містить до 99,4% води і 0,6% нерозчинного залишку, до складу якого входять муцини, альбуміни, глобуліни, амінокислоти, ферменти (амілаза, мальтаза, лактаза, ін.), холестерин, глюкоза, молочна кислота, вітаміни та ін. Мінеральний склад слини представлений аніонами хлоридів, гідрокарбонатів, фосфатів, роданідів, сульфатів, йодидів, бромідів і катіонами Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe3+, Cu2+, Mn2+, Ni2+, Li+, Zn2+, ін.
Їжа, що містить крохмаль, інулін і глікоген, під впливом ферменту амілази піддається гідролітичному розщепленню:
(C6H10O5)n + nH2O nС12Н22O11.
Цей процес починається у порожнині рота під впливом ферменту амілази слини, яка належить до класу гідролаз, підкласу мікозидаз.
У природі виявлено a-, b-, g-амілази, кожна з яких вузько специфічна. Так, g-амілаза каталізує гідроліз 1,4-зв’язків у молекулах полісахаридів, послідовно відщеплюючи залишки глюкози від кінця їх молекул. Цей фермент досить поширений у тканинах тварин. b-Амілаза інтенсифікує гідроліз 1,4-зв’язків, послідовно відщеплюючи від кінця молекули полісахариду по два залишки глюкози, тобто молекули мальтози. Цей фермент поширений в основному в рослинних організмах. a-Амілаза належить до ендоамілаз. Вона каталізує гідролітичне розщеплення внутрішніх 1,4-зв’язків у молекулах полісахаридів. За цих умов утворюються відносно великі уламки молекул полісахаридів (декстрини), олігосахариди, а також частково дисахарид мальтоза.
a-Амілаза містить у своїх активних центрах іони кальцію, які забезпечують її каталітичну дію.
Амілаза слини складається в основному з a-амілази. Її ще називають птіаліном, або діастазою. Крім a-амілази у слині міститься також фермент мальтаза (a-глюкозидаза), яка розщеплює мальтозу на дві молекули глюкози. Тому при тривалому перебуванні вуглеводної їжі у порожнині рота відчувається солодкий смак.
Цікавим є той факт, що на вміст ферментів у слині впливає склад їжі. Так, вміст амілази у слині хижаків, які харчуються м’ясом, практично відсутній. У людей, які споживають їжу, багату на вуглеводи, вміст амілази у слині вищий, ніж у тих, які споживають бідну на вуглеводи їжу.
Амілаза найбільш активно впливає на крохмаль вареної їжі, розщеплюючи його до мальтози. Під впливом мальтази мальтоза може розщеплюватися до глюкози:
С12Н22O11 + Н2O ® 2C6H12O6.
Їжа у ротовій порожнині знаходяться недовго (1 – 5 хв.), де ферменти частково розщеплюють вуглеводи. Більшість полісахаридів залишаються незмінними і у такому вигляді поступають у шлунок або передшлунки. Найбільша активність амілази і мальтази – в слині людини і мавп, найнижча – в слині собак і кішок.
Після ротової порожнини харчова грудка по стравоходу проходить у шлунок. Тут розщеплення вуглеводів поступово припиняється. У міру просочення кормових мас шлунковим соком амілаза і мальтаза слини інактивуються, (через 20 – 30 хв.) унаслідок різкої зміни реакції середовища. Зміна рН середовища (рН шлункового соку дорівнює 1,5 – 2) повністю інактивує ферменти, оптимальна каталітична дія яких виявляється при рН – 6,8...7,2.
На відміну від інших вуглеводів, перетравлювання клітковини має свої особливості. У травному каналі організмів людини і тварин відсутні ферменти, які здійснюють гідролітичне розщеплення клітковини, зокрема b-амілаза. Цей фермент продукується в основному симбіотичними з організмом тварини мікроорганізмами. Симбіоз починається з перших днів постнатального онтогенезу і якнайповніше виражений під час переходу тварин на рослинне живлення.
Основним місцем перетравлювання клітковини є нижні відділи тонкої і особливо товста кишка у людини і рубець у жуйних тварин, де під впливом ферментів мікрофлори проходить її ферментативний гідроліз. Наявність мікроорганізмів, здатних гідролізувати клітковину, має особливо важливе значення для жуйних тварин, для яких клітковина є основою харчового раціону. Наприклад, у 1 г вмісту рубця міститься до 1010 мікроорганізмів, в основному, інфузорій, а також різних видів бактерій, актиноміцетів, дріжджів, мікроскопічних грибів і водоростей. Під впливом ферментів, що виробляються цими мікроорганізмами, клітковина гідролізується до a- і b-глюкоз:
C12H22O11 + H2O C6H12О6 + C6H12О6.
Надалі під впливом ферментів мікроорганізмів a- і b-глюкоза піддається різним видам бродіння. Продуктами бродіння є жирні кислоти (оцтова, пропіонова, масляна, валеріанова, капронова, молочна, ін.), альдегіди і кетони, спирти, гази. Так, під впливом Вact. lactis з глюкози утворюється молочна кислота:
C6H12O6 ® 2CH3CHOH–COOH.
Основна маса жирних кислот всмоктується слизовою оболонкою шлунку. Частина з них витрачається на живлення мікроорганізмів і є матеріалом для синтезу ними амінокислот, білків, нуклеїнових кислот, ліпідів та інших речовин. Мікроорганізми, перетравлюючись в нижніх відділах харчового каналу, служать джерелом для отримання організмом-господарем біологічно важливих сполук.
Перетравлювання вуглеводів закінчується в тонкій кишці (дванадцятипалій і клубовій). Тут кормові маси піддаються дії соку підшлункової залози і кишкового соку.
Сік підшлункової залози – безбарвна рідина, без запаху, рН > 7,5, r » 1,010. У людини за добу виділяється 1,5 – 2 л, корови – 3 – 4, свині – 8, собаки – 0,2 л соку. Сік складається з води (90%) і нерозчинного залишку (10%), який містить білки, в основному ферменти (амілазу, мальтазу, лактазу, інвертазу, протеази, нуклеази), а також ліпіди і мінеральні солі, основу яких складає гідрокарбонат натрію. Найбільше соку виділяється під час надходження вуглеводного корму, менше – під час надходження м’ясного корму.
Кишковий сік – безбарвна або жовта рідина, з r = 1,007 – 1,010 і рН > 7,5. Складається з води (98,5 – 98,8%) і нерозчинного залишку (1,5 – 1,2%). Залишок за хімічним складом схожий із складом злущених епітеліальних клітин стінок кишки. В кишковому сокові містяться муцин, ферменти, сироваткові білки, ліпіди, мінеральні речовини, ін. Сік виробляється кишковими, а в дванадцятипалій кишці ще і дуоденальними залозами.
Кормові маси, що поступили з шлунку в тонку кишку, просочуються соком підшлункової залози і кишковим соком і ретельно перемішуються, перетворюючись на рідку кашку – химус. Полісахариди (глікоген, крохмаль, інулін) та їх похідні (декстрини) під впливом a-амілази розщеплюються до дисахаридів:
2(C6H10О5)n + nН2O ® 2nС12Н22О11.
Подальше розщеплення дисахаридів здійснюється різними ферментами. Наприклад, мальтоза розщеплюється під впливом ферменту мальтази:
Лактоза і сахароза розщеплюються лактазою (b-галактозидазою) і сахаразою або інвертазою (b-фруктофуранозидазою):
Розщеплення дисахаридів відбувається в основному на поверхні кишкового епітелію на його мікроворсинках і між ними. Деяка частина моносахаридів утворюється також у результаті гідролітичного розщеплення нуклеїнових кислот, глікопротеїдів, гліколіпідів та інших сполук.
Що стосується клітковини, то в організмах людини і хижих тварин значна частина її не розщеплюється, а виводиться з організму. Однак клітковина повинна бути обов’язковим компонентом харчового раціону, оскільки вона є важливим стимулятором секреторної і моторної функцій кишок і необхідна для формування калу. При тривалій відсутності в харчовому раціоні клітковини в організмах людини і жуйних тварин розвивається атонія кишок.
Крім клітковини в овочах і фруктах, які споживає людина, міститься певна кількість пектинових речовин, що позитивно впливають на процеси травлення, пригнічують процеси гниття в кишках, поліпшують умови життєдіяльності корисної мікрофлори. Пектинові речовини виявляють також антитоксичні властивості і здатні знешкоджувати деякі отруйні речовини. Отже, споживання овочів і фруктів сприяє не лише збалансуванню дієти за окремими вуглеводами, а й має важливе значення для нормального функціонування травного апарата і протікання процесів травлення.
Всмоктування вуглеводів
Всмоктування – це складний біохімічний процес переходу молекул моносахаридів і їх ефірів через епітелій слизової оболонки тонкої кишки в кров і лімфу. Слід зазначити, що деяка кількість моносахаридів (до 10%) всмоктується слизовою оболонкою шлунку. Тонка кишка має величезну всмоктуючу поверхню (у людини вона досягає 500 м2). Збільшенню такої поверхні сприяє наявність в слизовій оболонці ворсинок (2 – 2,5 тис. на 1 см2) і мікроворсинок (2 – 3 тис. на 1 клітину). Тут кормові маси перебувають в середньому 8 – 9 год. За такий проміжок часу практично всі моносахариди які є в химусі всмоктуються через слизову оболонку в кров.
Пентози всмоктуються повільніше, ніж гексози. Гексози всмоктуються, головним чином, у вигляді гексозофосфатів, що перешкоджає вирівнюванню осмотичної концентрації в епітелії у міру всмоктування і забезпечує безперервне надходження гексоз. На швидкість всмоктування впливає лише структура молекули гексози. Наприклад, якщо швидкість всмоктування глюкози прийняти за 100, то швидкість всмоктування галактози буде 110, фруктози – 43, манози – 19. Після переходу через кишкову стінку гексозофосфати гідролізуються: моносахариди поступають в кровоток, а H3PO4 використовується для фосфорилювання нових порцій вуглеводів, що всмоктуються. Під час всмоктування частина моносахаридів (фруктоза, галактоза, маноза) таутомеризуються в глюкозу. Зокрема, фруктоза:
,
,
.
Перетворення галактози в глюкозу відбувається дещо складніше:
Використання сучасних методів дослідження розширило уявлення про механізм всмоктування моносахаридів та інших речовин. Механізм всмоктування пояснює теорія переносників, згідно якої транспортування моносахаридів в клітину епітелію ворсинки здійснюється за допомогою спеціальних білків з молекулярною масою 10 – 30 тис. Вони знаходяться на мембранах мікроворсинок і відразу ж після ферментативного розщеплення дисахаридів сприймають на певні „майданчики” своїх молекул моносахариди, які потім переносять у глиб клітини до базального її краю. Переносник з’єднується з моносахаридами і їх дериватами. Мітохондрії в цих процесах є джерелом хімічної енергії. Комплекс переносник–моносахарид може пересуватися в глиб клітини по ендоплазматичній мережі та іншим органоїдам. На базальній поверхні клітини комплекс розпадається. Переносник повертається назад до поверхні клітини і з’єднується з новими порціями моносахаридів. Моносахариди потрапляють в міжклітинну рідину, потім в судинну систему – капіляри, підепітеліальну і підслизову венозну мережу, вени брижейки і ворітну вену. Процес всмоктування активується іонами Na+, які створюють натрієвий насос, що забезпечує активне транспортування моносахаридів через мембрани ентероцита.
У товстій кишці (сліпа, ободова, пряма) частина полісахаридів, яка не піддалася гідролізу, розкладається під впливом мікробів. Продукти, що утворилися при цьому, всмоктуються слизовою оболонкою в кровоносне русло. При споживанні недоброякісних продуктів і деяких захворюваннях харчового каналу утворюються продукти гниття, які токсично впливають на організм. У товстій кишці людини і тварин мікроорганізми синтезують деякі вітаміни (К, В1, B2, B6, B3, B5, С та ін.).
Проміжний обмін
Він протікає в органах, тканинах, клітинах та інтрацелюлярних структурах. При цьому моносахариди крові використовуються для різних потреб організму – енергетичних, пластичних, захисних та ін. Так, у людини, що вживає їжу рослинного і тваринного походження, 3 – 5% глюкози крові використовується для синтезу глікогену, 30 – 35% – для синтезу ліпідів, 60 – 70% служить джерелом хімічної енергії. Проміжний обмін часто називають: внутрішньотканинним або внутрішньоклітинним обміном. При розщепленні молекули вуглеводу до CO2 і Н2О в тканинах і клітинах утворюється велика кількість інших проміжних продуктів обміну.
Цукор крові. Цукор крові, в основному, представлений глюкозою, частково – фруктозою і глікогеном (табл. 1).
Таблиця 1
Вміст цукру в крові людини і деяких тварин
|
Об'єкт дослідження |
Вміст цукру, ммоль/л |
Об'єкт дослідження |
Вміст цукру, ммоль/л |
|
Ссавці |
|
Птахи |
8,2 – 11,0 |
|
людина |
4,5 – 6,6 |
Рептилії
|
3,2 – 11,0 (залежно від сезону) |
|
велика рогата худоба |
5,6 – 5,8 |
||
|
вівці |
3,4 – 3,6 |
Амфібії |
0,8 – 3,0 |
|
кози |
4,5 – 4,8 |
Риби |
1,0 – 2,0 |
|
кролі |
5,6 – 5,8 |
Безхребетні |
|
|
собаки |
4,5 – 5,6 |
молюски |
0,8 – 2,5 |
|
Морські свинки |
6,6 – 6,7 |
ракоподібні |
0,09 – 1,5 |
|
|
комахи |
11,0 – 12,5 |
Глюкоза знаходиться у вільному і зв'язаному станах. У деяких випадках кількість зв'язаної глюкози досягає 40 – 50% загального її вмісту в крові, вміст глікогену – до 15 – 50 мг%. Артеріальна кров, що поступає в головний мозок по сонних артеріях, на 98 – 105 мг% багатша глюкозою, ніж венозна кров, що відтікає від мозку по яремних венах.
Існує два основні шляхи поповнення вмісту глюкози у крові – всмоктування простих цукрів, в основному глюкози, у тонкій кишці та розкладання глікогену в печінці.
Печінка виділяє у кров у середньому 3,5 мг глюкози на 1 кг маси тіла за 1 хв. Виділення глюкози печінкою залежить від вмісту цукру, що потрапляє в печінку з кров'ю. При низькому вмісті цукру у крові печінка виділяє глюкозу в кров, а при високому – захоплює її і використовує для синтезу глікогену.
Отже, однією з найважливіших функцій печінки є підтримування сталого рівня глюкози у крові – глюкостатична, або гомеостатична, функція, в основі якої лежить здатність ферментних систем клітин печінки змінювати свою активність залежно від концентрації цукру в крові.
На вміст цукру в крові може впливати і м'язова тканина, яка в період інтенсивної роботи поглинає значну кількість глюкози з крові і використовує її для синтезу глікогену. Розкладання глікогену, синтезованого у м’язах, є важливим джерелом енергії, необхідної для забезпечення їх здатності до скорочення.
Оскільки при фізичній роботі обмін вуглеводів у м’язах проходить в анаеробних умовах, то глюкозо-6-фосфат, який утворюється під час розкладання глікогену, перетворюється на молочну кислоту.
В період відпочинку організму частина молочної кислоти використовується для синтезу глікогену в м’язах, а інша частина може надходити у кров, звідки захоплюється печінкою і використовується для синтезу глікогену. Отже, між глікогеном, синтезованим у м'язах і печінці, існує динамічний взаємозв'язок: глікоген печінки постачає кров глюкозою, яка використовується для синтезу глікогену у м'язах; глікоген, синтезований у м'язах, розкладається на молочну кислоту, з якої синтезується глікоген у печінці. Цей взаємозв'язок дістав назву циклу Корі:
Синтез глікогену
Глікоген як джерело хімічної енергії і регулятор осмотичного тиску крові має велике значення для організму. В органах відкладається у вигляді зерен.
Вміст глікогену в печінці людини і тварин при надмірному вуглеводному живленні іноді складає 15 – 20% загальної сухої маси органу. В печінці людини міститься до 150 г глікогену. Багато полісахариду нагромаджується в інших органах і тканинах. Так, у м'язах вміст глікогену досягає 0,2 – 2%, у нервовій тканині – 0,15% загальної сухої маси.
Якщо для синтезу глікогену джерелом служить глюкоза, цей процес називають глікогенез, якщо інші сполуки (аміно-, кето-, оксикислоти і низькомолекулярні жирні кислоти) – гліконеогенез.
Глікогенез. Утворення глікогену детально вивчено в печінці. В гепатоцитах глюкоза під впливом гексокінази фосфорилюється:
Далі глюкозо-6-Ф під впливом фосфоглюкомутази ізомеризується в глюкозо-1-фосфат:
Глюкозо-1-фосфат під впливом ферменту глюкозо-1-фосфат-уридилтрансферази вступає в реакцію з УТФ, утворюючи УДФ-глюкозу:
УДФ-глюкоза під дією ферменту глікогенсинтетази і за наявності невеликої кількості „затвравки” глікогену переносить залишок глюкози на молекулу глікогена, що призводить до подовження ланцюга полісахариду за рахунок утворення зв'язку 1,4:
(C6H10O5)n + УДФ-глюкоза ® (C6H10О5)n+1 + УДФ.
УДФ фосфорилується за рахунок АТФ, перетворюється в УТФ і вступає в реакцію з новими молекулами глюкозо-1-фосфата. При утворенні зв'язків 1,6 в реакції бере участь фермент a-глюкан-розгалуджуюча глікозилтрансфераза (фермент розгалуження). Для подовження ланцюга молекули глікогену на один мономер затрачується один макроергічний зв'язок (~), що містить у собі 32 – 40 кДж. В окремих випадках молекула глікогену може синтезуватися на поліпептидному ланцюзі білка – ініціатора синтезу глікогену, без участі „затравки”. Іноді молекула глікогену утворюється без витрати енергії АТФ під впливом ферменту фосфорилази.
Гліконеогенез. Глікоген, так само як і глюкоза, може синтезуватися із сполук невуглеводної природи. Попередниками глікогену в даному випадку є: піровиноградна і молочна кислоти; проміжні компоненти циклу Кребса; глікогенутворюючі амінокислоти, тобто ті амінокислоти які можуть перетворюватися на піровиноградну кислоту, в проміжні продукти циклу Кребса або в пропіоніл-КоА і нарешті гліцерин, який утворюється в обміні ліпідів.
Такого роду синтез глікогену, який відбувається головним чином в печінці і нирках, називають гліконеогенезом. Цей процес дозволяє поповнювати резерви глікогену, але у разі потреби ланцюг перетворень не доходить до глікогену, а закінчується на глюкозо-6-фосфаті, який гідролізується до глюкози, що поступає далі через кров до клітин.
Ланцюг, що починається з піровиноградної кислоти. Гліконеогенез – це оборотний гліколізу процес, де два етапи каталізуються в протилежних напрямах не одними і тими ж, а різними ферментами. Ці етапи мають принципове значення.
Біосинтез фосфоенолпіровиноградної кислоти з піровиноградної кислоти. Цей синтез не може ефективно здійснюватися безпосередньо в прямому напрямку через дуже високий енергетичний бар'єр реакції, тому він відбувається в два етапи:
1) карбоксилування піровиноградної кислоти до щавелевооцтової кислоти, реакцію каталізує фермент піруваткарбоксилаза. Ця реакція відбувається в мітохондріях. Фермент є тетрамером, до його складу входять чотири молекули біотину:
2) фосфорилююче декарбоксилювання. Щавелевооцтова кислота декарбоксилюється, приєднуючи фосфат (ГТФ або ІТФ) з утворенням фосфоенолпіровиноградної кислоти, реакцію каталізує фосфоенолпіруваткарбоксикіназа:
ГТФ (або ІТФ) ресинтезується за рахунок АТФ. Таким чином, на синтез фосфоенолпіровиноградної кислоти, витрачається дві молекули АТФ.
Дефосфорилування фруктозо-1,6-дифосфата до фруктозо-6-фосфата. Фруктозо-1,6-дифосфат гідролізується на фруктозо-6-фосфат і фосфорну кислоту. Реакцію каталізує фермент фруктозодифосфатаза. Цей фермент, виділений з печінки, вдалося отримати в кристалічній формі. Він утворений двома субодиницями, його молекулярна маса 127000. Фермент каталізує реакцію:
Фруктозо-1,6-дифосфат + Н2О ® Фруктозо-6-фосфат + Н3РО4
Реакцію у зворотному напрямку каталізує фосфофруктокіназа у присутності АТФ. Активністю обох ферментів, діючих на одні і ті ж субстрати, але каталізуючих реакції, що йдуть в протилежних напрямках, управляють алостеричні інгібітори: фосфофруктокіназу гальмує АТФ; фруктозодифосфатазу – АМФ. Решта ферментів ланцюга гліколіза діє оборотно і бере участь однаково як при гліколізі, так і при гліконеогенезі.
Ланцюг, що починається з щавелевооцтової кислоти. Щавелевооцтова кислота є попередником фосфоенолпіровиноградної кислоти. В той же час вона є продуктом окислення ацетил-КоА у циклі Кребса. Тому, всі проміжні продукти циклу Кребса можуть служити попередниками глюкози і глікогену, а також, всі амінокислоти, які здатні перетворюватися в компоненти циклу Кребса, є глікогенутворюючими амінокислотами. Таким чином, щавелевооцтова кислота відіграє фундаментальну роль в гліконеогенезі, оскільки через неї в ланцюг біосинтезу глікогену і глюкози вступають піровиноградна кислота, проміжні продукти циклу Кребса і глікогенутворюючі амінокислоти.
Ланцюг, що починається з гліцерину. Гліцерин входить в ланцюг синтезу глікогену через реакцію:
У такий спосіб гліцерин теж виявляється попередником глікогену.
Гліконеогенез (схема 1) є фізіологічно важливим процесом, оскільки глюкоза абсолютно необхідна для клітин.
Разом з тим завдяки цьому процесу не обов'язково, щоб глюкоза входила до складу їжі – у разі відсутності в раціоні вуглеводів як попередники глікогену і глюкози можуть виступати білки. Відповідні реакції контролюються гормоном кори наднирників гідрокортизоном, а також панкреатичним гормоном глюкагоном.
Розпад глікогену
Глікоген – лабільна сполука. Протягом доби в організмі людини і тварин синтезується і розщеплюється 65 – 70% глікогену печінки.
Зменшення вмісту цукру в крові рефлекторно призводить до розпаду глікогену в печінці і нормалізації вмісту глюкози в крові. Ці процеси регулюються гормонально (синтез – інсуліном, розпад – адреналіном і глюкагоном).
Розщеплення глікогену здійснюється двома шляхами: фосфоролізом і гідролізом. Велика частина глікогену розщеплюється фосфоролітичним шляхом. Так, під впливом ферменту фосфорилази відбувається поступове зменшення молекули глікогену з утворенням глюкозо-1-фосфата.
Бічні відгалуження молекули глікогену відщеплюються під впливом гідролітичного ферменту аміло-1,6-глюкозидази.
Далі глюкозо-1-фосфат під впливом ферменту фосфоглюкомутази перетворюється в глюкозо-6-фосфат. Глюкозо-6-фосфат під впливом ферменту глюкозо-6-фосфатази розщеплюється до глюкози і неорганічного фосфату (H3PO4). Глюкоза поступає в кровоносне русло, а неорганічний фосфат використовується для реакцій фосфорилування.
Деяка частина глікогену розщеплюється гідролітично під впливом ферменту амілази з утворенням декстринів і мальтози:
(C6H10О5)n + nH2O ® (C6H10O5)x + nC12H22O11.
декстрини мальтоза
Потім під впливом ферменту мальтази мальтоза розщеплюється до глюкози, яка поступає в кровоносне русло:
С12Н22О11 + H2O ® 2C6H12O6.
Реакції фосфоролізу глікогену оборотні. Їх швидкість залежить від вмісту глікогену, глюкозо-6-фосфата і H3PO4. Так, при збільшенні концентрації глюкозо-6-фосфата реакція йде у напрямі утворення глікогену. Глюкоза крові в основному використовується для енергетичних потреб організму.
Процеси перетравлювання, всмоктування і перетворення основної маси вуглеводів у печінці і тканинах показані на схемі 2.
У тканинах і клітинах основними енергетичними перетвореннями вуглеводів є: анаеробне розщеплення, цикл трикарбонових кислот Кребса і пентозофосфатний шлях (ПФШ), або пентозний цикл. Всі три процеси взаємозв'язані, оскільки в кожному з них є загальні для всього проміжного обміну вуглеводів продукти хімічних реакцій, і беруть участь одні і ті ж ферментативні системи.
Схема 1. Глюконеогенез.
Схема 2. Процеси перетворення вуглеводів у печінці та тканинах.
Анаеробне розщеплення вуглеводів
Цей процес протікає в органах, тканинах і клітинах живого організму без участі кисню. Його основні реакції схожі з хімізмом спиртового бродіння, названого Л. Пастером „життям без кисню”. Відмінності полягають в наступному: при спиртовому бродінні вуглеводів кінцевими продуктами є етанол і CO2, а при анаеробному розщепленні – молочна або піровиноградна кислоти.
Анаеробне розщеплення вуглеводів може починатися фосфоролітичним розщепленням глікогену (глікогеноліз) або фосфорилуванням глюкози (гліколіз). У скелетній мускулатурі обидва процеси виражені однаковою мірою, в головному мозку і міокарді переважає гліколіз. Анаеробне розщеплення супроводжується утворенням у тканинах і клітинах АТФ – сполуки з великим запасом енергії.
Фосфоролітичне розщеплення глікогену до глюкозо-1-фосфата відбувається під впливом ферменту фосфорилази:
Під впливом ферменту фосфоглюкомутази глюкозо-1-фосфат перетворюється в глюкозо-6-фосфат:
Якщо процес починається з глюкози, то її фосфорилування відбувається під впливом ферменту фосфоглюкокінази з утворенням глюкозо-6-фосфата:
Подальші етапи глікогеноліза і гліколіза подібні і можуть розглядатися спільно.
1. Глюкозо-6-фосфат під дією ферменту глюкозофосфатізомерази перетворюється у фруктозо-6-фосфат. Між обома ефірами встановлюється рівновага при вмісті 70% глюкозо-6-фосфата і 30% фруктозо-6-фосфата:
2. Під впливом фосфофруктокінази, за наявності АТФ та йонів Mg2+, утворюється фруктозо-1,2-дифосфат:
3. Наявність двох залишків фосфату на протилежних кінцях молекули гексози призводить до різкого ослаблення зв'язків між третім і четвертим атомами вуглецю. В результаті цього вуглевод легко розщеплюється на дві фосфотріози під впливом ферменту альдолази:
При цьому утворюється 3-фосфогліцериновий альдегід (ФГА) – 3% і діоксіацетонфосфат – 97%, який таутомеризується в 3-фосфогліцериновий альдегід:
4. 3-Фосфогліцериновий альдегід під впливом ферменту гліцеральдегідфосфатдегідрогенази та НАД вступає в реакцію оксиредукції, що призводить до утворення макроергічного зв'язку, а потім 1,3-дифосфогліцеринової кислоти:
5. 1,3-Дифосфогліцеринова кислота під впливом ферменту фосфогліцераткінази віддає свій макроергічний зв'язок АДФ:
6. 3-Фосфогліцеринова кислота під впливом ферменту фосфогліцеромутази перетворюється на 2-фосфогліцеринову кислоту:
7. 2-Фосфогліцеринова кислота, під впливом ферменту фосфопіруватгідратази у присутності іонів Mg2+, втрачає молекулу води, перетворюючись на енольну форму фосфопіровиноградної кислоти, яка містить макроергічний зв'язок:
8. Фосфопіровиноградна кислота під впливом ферменту піруваткінази за наявності іонів Mg2+ і K+, віддає свій макроергічний зв'язок АДФ, перетворюючись на енольну форму піровиноградної кислоти:
Енольна форма піровиноградної кислоти таутомеризується в кетоформу:
9. При недостатній кількості кисню піровиноградна кислота під дією ферменту лактатдегідрогенази і за наявності НАД×Н2 перетворюється на молочну кислоту, яка є кінцевим продуктом анаеробного розпаду вуглеводів в тканинах:
Реакції гліколізу (глікогенолізу) часто поділяють на дві стадії. На першій стадії відбувається енергозалежний процес фосфорилування глюкози та її розкладання на дві тривуглецеві сполуки – фосфотріози. Реакції першої стадії ендергонічні, вони проходять з поглинанням енергії АТФ. Цю стадію вважають підготовчою.
Друга стадія гліколізу (глікогенолізу) забезпечує перетворення фосфотріоз на кінцевий продукт – молочну кислоту. В зв'язку зі специфічністю частини реакцій, які відбуваються на цій стадії, вони дістали назву гліколітичної оксиредукції. В процесі утворення молочної кислоти синтезується також макроергічна сполука АТФ, тобто друга стадія гліколізу проходить з виділенням енергії і є екзергонічним процесом (схема 3).
Схема 3. Анаеробний обмін вуглеводів (глікогеноліз і гліколіз)
Як видно з наведених вище рівнянь хімічних реакцій, під час гліколізу з однієї молекули глюкози утворюється дві молекули фосфотріоз. Кожна з них у процесі перетворення на молочну кислоту зумовлює утворення двох молекул АТФ, тобто всього утворюється чотири молекули АТФ. Однак дві з них використовуються для фосфорилування глюкози (гексокіназна реакція) та утворення фруктозо-1,6-дифосфату (фруктокіназна реакція), тому енергетична ефективність гліколізу становить дві молекули АТФ. Оскільки в макроергічному зв'язку АТФ акумулюється в середньому 42 кДж енергії, то всього під час гліколізу нагромаджується 84 кДж енергії. Експериментально встановлено, що внаслідок перетворення глюкози у дві молекули молочної кислоти зміна вільної енергії дорівнює 210 кДж/моль. На основі цього неважко обчислити, що під час гліколізу близько 40 % вивільненої енергії акумулюється в макроергічних зв'язках АТФ, а решта розсіюється у вигляді теплоти. Отже, коефіцієнт корисної дії гліколізу становить 0,35 – 0,40. Загальну схему можна записати так:
C6H12O6 + 2H3PO4 + 2АДФ ® 2CH3–CHOH–COOH + 2АТФ.
Під час глікогенолізу також утворюється чотири молекули АТФ, однак на першій стадії цього процесу використовується лише одна молекула АТФ (у фосфофруктокіназній реакції), тому енергетичний ефект глікогенолізу становить 3 молекули АТФ, або 126 кДж/моль.
На перший погляд енергетичний ефект глікогенолізу більший, ніж гліколізу. Однак, якщо врахувати, що частина молекул АТФ використовується для синтезу глікогену, стане зрозумілим, що ці два процеси в енергетичному відношенні майже рівноцінні. Для організму і гліколіз, і глікогеноліз не вигідні, оскільки для компенсування енергетичних витрат необхідна велика кількість вуглеводів. Однак як фізіологічні процеси вони досить важливі, оскільки дають змогу забезпечити організм енергією за умов недостатнього постачання тканин киснем.
Під час вивчення енергетичних ефектів окремих реакцій анаеробного перетворення вуглеводів було встановлено, що більшість реакцій цього процесу близькі до рівноваги і можуть проходити як у прямому, так і в зворотному напрямках. Це дає змогу організму з одних і тих самих речовин діставати як хімічну енергію, так і сполуки, необхідні для забезпечення протікання різних метаболічних реакцій. Однак три реакції анаеробного перетворення вуглеводів (гексокіназна, фруктокіназна і піруваткіназна) супроводжуються значним зменшенням вільної енергії, тому є практично необоротними. Перебіг цих реакцій у зворотному напрямку потребує подолання певного енергетичного бар'єру та наявності специфічних ферментів (схема 3).
Спиртове бродіння
У нижчих організмів – дріжджових і цвілевих грибів, деяких мікроорганізмів – процес анаеробного перетворення вуглеводів завершується утворенням етилового спирту, тому він дістав назву спиртового бродіння:
C6H12O6 ® 2С2Н5ОН + 2СО2.
Хімізм цього процесу досить близький до гліколізу, який протікає в тканинах вищих організмів. Усі стадії перетворення глюкози до утворення піровиноградної кислоти включно в обох випадках проходять однаково і каталізуються одними і тими самими ферментними системами. Відмінність між цими процесами виявляється, починаючи з етапу перетворення піровиноградної кислоти. Так, під час гліколізу і глікогенолізу піровиноградна кислота відновлюється до молочної, а під час спиртового бродіння вона піддається декарбоксилюванню і перетворюється на оцтовий альдегід:
Фермент піруватдекарбоксилаза, що каталізує цю реакцію, містить у вигляді простетичної групи тіамінпірофосфат, який зв'язується з піровиноградною кислотою з утворенням оксіетилтіамінпірофосфату. В процесі перетворення останнього утворюється оцтовий альдегід і тіамінпірофосфат. Каталітична активність ферменту забезпечується наявністю іонів Mg2+.
Утворений за цією реакцією оцтовий альдегід далі за участю НАД×H2 відновлюється до кінцевого продукту спиртового бродіння – етилового спирту Реакцію каталізує алкогольдегідрогеназа:
Слід зазначити, що деяким мікроорганізмам властиві специфічні шляхи утилізації тривуглецевих сполук, які утворюються під час розкладання глюкози. Тому крім спиртового бродіння існують також інші його види: молочнокисле, пропіоновокисле, ацетоетилове, маслянокисле тощо.
Під час молочнокислого бродіння у бактеріях піровиноградна кислота відновлюється до молочної, подібно як під час гліколізу в тканинах вищих організмів. Відома також інша група молочнокислих бактерій, які здатні перетворювати кожну молекулу глюкози в молекулу молочної кислоти, молекулу етанолу і CO2. Це так зване гетероферментативне (змішане) молочнокисле бродіння.
Аеробне перетворення вуглеводів
Аеробне й анаеробне перетворення вуглеводів тісно зв'язані між собою. Це насамперед виявляється в тому, що обидва процеси проходять однаково включно до стадії утворення піровиноградної кислоти. В них беруть участь одні й ті самі ферменти та утворюються однакові проміжні продукти. Відмінність між анаеробним і аеробним розкладанням вуглеводів починається з перетворення піровиноградної кислоти.
Якщо вуглеводи перетворюються в анаеробних умовах, то піровиноградна кислота, як уже зазначалося, відновлюється до молочної кислоти. При перетворенні вуглеводів в аеробних умовах піровиноградна кислота піддається декарбоксилюванню з утворенням ацетил-KoA, який далі окислюється до кінцевих продуктів – CO2 і H2O з виділенням значної кількості енергії, що акумулюється в молекулах ATФ.
Процес перетворення піровиноградної кислоти до ацетил-КоА дістав назву окислювального декарбоксилування. Каталізується він складним поліферментним комплексом – піруватдегідрогеназою, який пов'язаний з дією п'яти коферментів: тіамінпірофосфату, ліпоєвої кислоти, коензиму А, НАД і ФАД. Дослідженнями доведено, що окислювальне декарбоксилування піровиноградної кислоти в тканинах організмів людини і тварин проходить лише в аеробних умовах. Загальну схему можна подати так:
У зв'язку зі значним зменшенням вільної енергії ця реакція є необоротною. Вона проходить у декілька стадій.
На першій стадії піровиноградна кислота взаємодіє з тіамінпірофосфатом з утворенням проміжної сполуки, де вона перебуває в активному стані. Далі під каталітичною дією піруватдекарбоксилази піровиноградна кислота, що входить до складу тіамінпірофосфату, декарбоксилується. В результаті цієї реакції утворюється оксіетилтіамінпірофосфат, який під впливом ферменту ліпоїлредуктази ацетил-трансферази, коферментом якого є ліпоєва кислота, розкладається на вільний тіамінпірофосфат і ацетилліпоєву кислоту. Ацетилліпоєва кислота утворюється внаслідок переходу залишку оцтової кислоти від оксіетилтіамінпірофосфату до ліпоєвої кислоти:
З ацетилліпоєвої кислоти залишок ацетилу далі переноситься на KoA–SH. Продуктами реакції є ацетил-КоА і дигідроліпоєва кислота. Слід підкреслити, що дигідроліпоєва кислота під впливом ФАД здатна переходити у ліпоєву кислоту:
За цих умов відновлений ФАД передає атоми водню на окислений НАД:
Відновлений НАД, що утворився, за допомогою цитохромної системи окислюється киснем повітря:
НАД×H2 + [O] ® H2O + НАД+.
У результаті окислення, спряженого з процесами фосфорилування, синтезується три молекули АТФ, тобто акумулюється 126 кДж енергії.
Частина ацетил-КоА, що утворився під час декарбоксилювання піровиноградної кислоти, використовується для синтезу жирів, вуглеводів та інших сполук, а інша вступає в цикл трикарбонових кислот, де окислюється до CO2 і H2O. При цьому вивільнюється певна кількість енергії.
Цикл трикарбонових кислот Кребса (ЦТК)
Основна маса хімічної енергії вуглеводів звільняється в аеробних умовах за участю кисню. Цикл трикарбонових кислот Кребса називають ще циклом лимонної кислоти, або клітинним диханням.
Між анаеробним і аеробним розщепленням вуглеводів існує тісний зв'язок. Перш за все це виявляється в наявності загальної зв'язуючої ланки – піровиноградної кислоти, якою завершується анаеробне розщеплення вуглеводів і починається клітинне дихання. Обидві фази каталізують одні і ті ж ферменти (дегідрогенази, кінази, ін.). Хімічна енергія, яка вивільняється при фосфорилуванні, резервується у вигляді макроергів АТФ. У хімічних реакціях беруть участь одні і ті ж коферменти (НАД, НАДФ) і катіони. Відмінності полягають в наступному. Якщо ферменти анаеробного розщеплення вуглеводів локалізуються в гіалоплазмі, то реакції клітинного дихання протікають переважно в мітохондріях – енергетичних підстанціях клітини. За певних умов виявляється антагонізм між обома фазами. Так, у присутності кисню швидкість реакцій гліколіза різко зменшується (ефект Пастера). Продукти гліколіза можуть гальмувати аеробний обмін вуглеводів (ефект Кребтрі).
Цикл трикарбонових кислот є ланцюгом послідовних хімічних реакцій, у результаті яких продукти розщеплення вуглеводів окислюються до CO2 і Н2О, а хімічна енергія акумулюється у вигляді макроергічних сполук. У ході клітинного дихання утворюється „носій” – щавелевооцтова кислота (ЩОК). Далі відбувається конденсація з „носієм” активованого залишку оцтової кислоти. Утворюється трикарбонова кислота – лимонна. В ході хімічних реакцій відбувається кругообіг залишку оцтової кислоти в циклі. Під час функціонування циклу мають місце процеси дегідрування і декарбоксилування. З кожної молекули піровиноградної кислоти утворюється 18 молекул АТФ. В кінці циклу звільняється „носій”, який вступає в реакцію з новими молекулами активованого залишку оцтової кислоти. Розглянемо послідовність реакцій ЦТК:
1. Якщо кінцевим продуктом анаеробного розщеплення вуглеводів є молочна кислота, то під впливом лактатдегідрогенази вона окислюється в піровиноградну кислоту:
2. Частина молекул піровиноградної кислоти йде на синтез „носія” ЩОК під впливом ферменту піруваткарбоксилази і присутності іонів Mg2+:
3. Інша частина молекул піровиноградної кислоти служить джерелом утворення „активного ацетату” (окислювальне декарбоксилування) – ацетилкоензиму А (ацетил–KoA). Реакція протікає під впливом піруватдегідрогенази:
Ацетил-КоА має в своїй молекулі макроергічний зв'язок, в якому акумулюється близько 5 –7% енергії. Основна маса хімічної енергії утворюється в результаті окислення „активного ацетату”.
4. Під впливом цитратсинтази починає функціонувати власне цикл трикарбонових кислот, що призводить до утворення лимонної кислоти:
5. Лимонна кислота під впливом ферменту аконітатгідратази дегідрується і перетворюється на цис-аконітову кислоту, яка після приєднання молекули води перетворюється в ізолимонну:
Між трьома трикарбоновими кислотами встановлюється динамічна рівновага. Наступні реакції протікають за рахунок ізолимонної кислоти, на яку перетворюються дві інші.
6. Ізолимонна кислота окислюється в щавелевоянтарну кислоту, яка декарбоксилується і перетворюється в a-кетоглутарову кислоту. Реакцію каталізує фермент ізоцитратдегідрогеназа:
7. a-Кетоглутарова кислота під впливом ферменту 2-оксо-(a-кето)-глутаратдегідрогенази декарбоксилується, внаслідок чого утворюється сукциніл-КоА, що містить макроергічний зв'язок:
8. На наступній стадії сукциніл-КоА під впливом ферменту сукциніл-КоА – синтетази передає макроергічний зв'язок ГДФ (гуанозиндифосфату):
ГТФ під впливом ферменту ГТФ-аденілаткінази віддає макроергічний зв'язок АМФ:
ГТФ + АМФ ® ТДФ + АДФ.
9. Янтарна кислота під впливом ферменту сукцинатдегідрогенази (СДГ) окислюється до фумарової. Коферментом СДГ є ФАД:
10. Фумарова кислота під впливом ферменту фумаратгідратази перетворюється на яблучну:
11. Яблучна кислота під впливом ферменту малатдегідрогенази (МДГ) окислюється, утворюючи ЩОК:
За наявності в реагуючій системі ацетил-КоА ЩОК знову включається в цикл трикарбонових кислот (див. 4-у стадію).
Таким чином, відносно невелика кількість щавелевооцтової кислоти, вступаючи кілька разів у реакцію конденсації з ацетил-KoА, забезпечує окислення значної кількості оцтової кислоти, яка утворюється в процесі обміну не тільки вуглеводів, а й ліпідів і білків. Внаслідок усіх перетворень циклу Кребса оцтова кислота у вигляді ацетил-КоА розкладається на CO2 і H2O:
CH3–COOH + 2O2 = 2CO2 + 2H2O.
Енергія, що вивільнюється під час окислення оцтової кислоти, акумулюється в макроергічних зв'язках АТФ (схема 4).
Як видно з рівнянь реакцій, у циклі Кребса утворюється чотири молекули відновлених форм коферментів: одна молекула НАДФ×H2, дві молекули НАД×H2 і одна молекула ФАД×H2. При цьому доведено, що під час окислення однієї молекули НАД×H2 або НАДФ×H2 шляхом відщеплення атома водню в ланцюгу дихальних ферментів синтезується три молекули АТФ. Внаслідок окислення ФАД×H2 утворюється дві молекули АТФ. Отже, всього під час окислення відновлених форм коферментів утворюється 3 ´ 3 + 2 = 11 молекул АТФ. Крім того, одна молекула АТФ утворюється на рівні субстрату під час перетворення сукциніл-КоА в янтарну кислоту.
У процесі перетворення однієї молекули ацетил-КоА в циклі трикарбонових кислот синтезується 11 + 1 = 12 молекул АТФ. Разом з тим три молекули АТФ синтезуються внаслідок окислення однієї молекули НАД×H2, яка утворюється в процесі перетворення піровиноградної кислоти до ацетил-KoА. Всього в процесі перетворення однієї молекули піровиноградної кислоти до ацетил-KoА і останнього до CO2 і H2O синтезується 12 + 3 = 15 молекул АТФ. Оскільки з однієї молекули глюкози утворюється дві молекули піровиноградної кислоти, то всього утворюється 15 ´ 2 = 30 молекул АТФ. Крім того, 6 молекул АТФ утворюється внаслідок окислення двох молекул НАД×H2, які вивільнюються під час гліколітичної оксиредукції, і дві молекули синтезується в процесі гліколізу. Toму загальний енергетичний ефект аеробного розкладання однієї молекули глюкози до кінцевих продуктів – CO2 і Н2О – становить 30 + 6 + 2 = 38 молекул АТФ. Оскільки в одній молекулі АТФ зосереджено 42 кДж енергії, то всього під час аеробного перетворення однієї молекули глюкози акумулюється 1596 кДж енергії. Перетворення однієї молекули глюкози за анаеробних умов, як зазнавалось раніше, дає лише дві молекули ATФ, тобто в макроергічннх зв'язках її акумульовано 2 ´ 42 = 84 кДж енергії.
Отже, основним джерелом енергії для організму є аеробне окислення органічних сполук. Коефіцієнт корисної дії ЦТК рівний 0,5. Решта енергії розсіюється у вигляді теплоти. У ЦТК в середньому окислюється 16 – 33% молочної кислоти, інша частина використовується для ресинтезу глікогену.
Схема 4. Цикл трикарбонових кислот Кребса (Q – місця гальмування циклу фторацетатом, малонатом, арсенатом)
Пентозний цикл
Пентозний цикл – це ланцюг послідовних хімічних перетворень вуглеводів, у результаті якого в тканинах і клітинах звільняється хімічна енергія і утворюються пентози, необхідні для синтезу нуклеїнових кислот, нуклеотидів і коферментів. Його часто називають апотомічним циклом, оскільки при окисленні глюкози відщеплюється один атом вуглецю. Іноді його називають прямим, або гексозомонофосфатним шляхом окислення вуглеводів, оскільки тут глюкозо-6-фосфат піддається прямому окисленню (з відщепленням CO2) без утворення фруктозо-1,6-дифосфата і двох фосфотріоз (схема 5).
Схема 5. Перетворення пентозофосфатів
Частка пентозного циклу в кількісному перетворенні глюкози невелика. У ссавців активність циклу висока в ембріональних тканинах, печінці, наднирниках, пухлинах, молочній і щитовидній залозах, еритроцитах. Пентозний цикл дає організму відновлений НАДФ – донор водню для біосинтезу жирних кислот, холестерину, пуринових і піримідинових основ, кетостероїдів, глюкози, ін. Пентозний цикл складається з таких стадій:
1. Глюкозо-6-фосфат, що утворюється в результаті фосфороліза глікогену або фосфорилування глюкози, під впливом глюкозо-6-фосфатдегідрогенази окислюється і перетворюється в 6-монофосфоглюкон:
2. 6-Монофосфоглюкон під впливом ферменту глюконолактонази приєднує молекулу води, перетворюючись на 6-фосфоглюконову кислоту:
3. 6-Фосфоглюконова кислота за участю фосфоглюконатдегідрогенази піддається окислювальному декарбоксилуванню, що призводить до утворення кетопентози – D-рибулозо-5-фосфата і другої молекули НАДФ×H2:
4. D-Рибулозо-5-фосфат під впливом ферменту рибулозофосфат-3-епімерази оборотно перетворюється на свій епімер – D-ксилулозо-5-фосфат (а). У деяких випадках D-рибулозо-5-фосфат може оборотно перетворюватися на свій альдоізомер – D-рибозо-5-фосфат (б):
|
а) |
|
б) |
D-Рибозо-5-фосфат використовується клітинами для синтезу РНК і нуклеотидів (АМФ, АДФ, АТФ). Часто пентозний цикл на даній стадії завершується. Його можна підсумувати рівнянням:
Глюкозо-6-фосфат + 2НАДФ+ Û D-Рибозо-5-фосфат + CO2 +2HАДФ×H2
Пентози, які не використані для синтезу нуклеїнових кислот і нуклеотидів, витрачаються на біосинтез інших сполук, регенерацію глюкози, з якої починався пентозний цикл.
5. З D-кcилулозо-5-фосфата і D-рибозо-5-фосфата під впливом транскетолази може утворюватися D-седогептулозо-7-фосфат і 3-фосфогліцериновий альдегід:
6. 3-Фосфогліцериновий альдегід може включатися в 4-у стадію анаеробного розщеплення вуглеводів або під впливом ферменту трансальдолази взаємодіяти з D-седогептулозо-7-фосфатом, утворюючи фруктозо-6-фосфат і еритрозо-4-фосфат:
Фруктозо-6-фосфат може ізомеризуватися в глюкозо-6-фосфат і вступати в 1-у стадію пентозного циклу або включатися в 2-у стадію анаеробного розщеплення вуглеводів.
7. Еритрозо-4-фосфат під впливом ферменту транскетолази взаємодіє з ксилулозо-5-фосфатом, що призводить до утворення фруктозо-6-фосфата і 3-фосфогліцеринового альдегіду (їх перетворення див. вище):
Реакції пентозного циклу можна підсумувати рівнянням:
6 Глюкозо-6-фосфат + 7Н2О + 12НАДФ+ ® 6СО2 + 12НАДФ×Н2 + 5 Глюкозо-6-фосфат + H3PO4.
Отже, виходячи із сумарного рівняння бачимо, що при повному окисленні 1 молекули глюкози утворюється 12 молекул відновленого НАДФ, які в процесі окислення у мітохондріях можуть дати 12 ´ 3 = 36 молекул АТФ. У макроергічних зв’язках 36 молекул АТФ зосереджено 36 ´ 42 = 1512 кДж енергії. Однак останнім часом прийнято вважати, що утворені за пентозним циклом відновлені форми НАДФ використовуються в основному в процесах синтезу різних сполук (жирних кислот, холестерину, тощо) в організмі.
Пентозному циклу належить важлива роль в синтезі жирів. Так, у жировій тканині його питома вага складає 50% по відношенню до гліколізу, у печінці – 2,5 – 3 і в м'язовій тканині – 0,3%. Припускають, що останні стадії пентозного циклу забезпечують жирові клітини гліцерином, який утворюється з 3-фосфогліцеринового альдегіду.
Окрім описаних вище шляхів перетворення вуглеводів, в тканинах тваринних організмів були знайдені інші цикли, зокрема, перетворення моносахаридів шляхом їх з'єднання з піримідиновими основами і т.д.
Співвідношення між аеробним і анаеробним процесами перетворення вуглеводів в організмі. Основним шляхом перетворення вуглеводів у тканинах організму є поєднання анаеробного перетворення (гліколіз і глікогеноліз) і аеробного окислення за циклом трикарбонових кислот. Ці фази перетворення вуглеводів мають багато спільного. Обидва процеси розпочинаються з утворення фосфорних ефірів глюкози. Крім того, в обох випадках утворюються однакові проміжні продукти (3-фосфогліцериновий альдегід, фосфогліцеринова і фосфоенолпіровиноградна кислота, тощо). Центральною спільною ланкою, яка об'єднує ці процеси, є піровиноградна кислота, наступне перетворення якої залежно від умов може проходити як аеробним, так і анаеробним шляхом. Спряження процесів гліколізу і тканинного дихання зумовлено також тим, що багато реакцій гліколізу та аеробного перетворення вуглеводів каталізуються одними і тими самими ферментами і коферментами – зокрема НАД+, НАДФ+, ФМН, ФАД та деякими іншими.
Важливим шляхом регуляції співвідношення і зв'язку між анаеробною й аеробною фазами перетворення вуглеводів є ефект, виявлений Л. Пастером і названий на честь дослідника ефектом Пастера. Суть його полягає в тому, що під впливом кисню (за аеробних умов) анаеробне перетворення вуглеводів пригнічується. Отже, при наявності кисню анаеробний процес (гліколіз або спиртове бродіння) замінюється енергетично більш економним для клітини процесом перетворення вуглеводів – аеробним. За цих умов при менших витратах субстрату (глюкози) організм отримує значно більшу кількість енергії. Тому при наявності кисню значно зменшується використання субстрату – глюкози.
Дослідженнями O.В. Палладіна, В.O. Енгельгардта та інших учених встановлено, що основною причиною, яка зумовлює пастерівський ефект є, очевидно, своєрідна конкуренція між ферментними системами, які забезпечують аеробне й анаеробне перетворення вуглеводів, та захоплення неорганічного фосфату, необхідного для утворення АТФ.
У процесі обміну АДФ легко переходить із гіалоплазми в мітохондрії, де за аеробних умов інтенсивно використовується для синтезу АТФ, тобто ферментні системи аеробного перетворення вуглеводів ефективніше використовують неорганічний фосфат і АДФ. Зменшення вмісту АДФ у гіалоплазмі зумовлює гальмування гліколізу. Однак взаємозв'язок анаеробного й аеробного перетворення вуглеводів, очевидно, вивчено ще не повністю. Відомо, що в деяких органах і тканинах (сітківка ока, лейкоцити, ембріональна тканина, злоякісні пухлини) гліколіз досить ефективно проходить і за аеробних умов.
За певних умов гліколіз здатний пригнічувати аеробне перетворення вуглеводів. Пригнічення процесу дихання гліколізом дістало назву ефекту Кребтрі. Цей ефект найчастіше спостерігається при високих концентраціях глюкози, коли резерви АТФ досить швидко використовуються для синтезу гексозофосфорних ефірів – глюкозо-6-фосфату і фруктозо-1,6-дифосфату. При цьому вміст АТФ у гіалоплазмі значно зменшується, що призводить до переходу частини її з мітохондрій, де виникає дефіцит макроергів і пригнічується аеробний процес. Послабити ефект Кребтрі можна шляхом додаткового введення АТФ, що сприятиме активуванню процесів фосфорилювання глюкози. Глюкозо-6-фосфат стимулює і гліколіз, і дихання, тому залежно від умов у більшій або меншій мірі виявляються ефект Пастера або ефект Кребтрі.
Біосинтез дисахаридів
Важливими представниками дисахаридів є сахароза, лактоза, мальтоза та деякі інші. Біосинтез їх здійснюється в основному за реакціями трансглікозування. При цьому процес перенесення глікозильного залишку на один моносахарид проходить з фосфорного ефіру другого моносахариду. Реакція каталізується ферментом – специфічною глікозилтрансферазою. За приклад можна взяти синтез – сахарози:
Фермент, який каталізує цю реакцію, виділений з бактерій. Очевидно, в них так відбувається синтез сахарози.
Синтез сахарози може проходити й іншим способом, зокрема шляхом взаємодії уридиндифосфоглюкози з фруктозою. Реакцію каталізує фермент сахарозосинтаза:
Так синтезується сахароза в рослинах.
Розглянемо біосинтез іншого дисахариду – лактози, яка складається з двох моноз – глюкози і галактози. Він проходить у кілька стадій. Спочатку галактозо-1-фосфат взаємодіє з уридиндифосфоглюкозою. При цьому утворюється уридиндифосфогалактоза і глюкозо-1-фосфат. Далі сполуки, що утворились, взаємодіють між собою, при цьому синтезуються лактоза та виділяється уридинтрифосфат. Першу стадію реакції каталізує фермент уридинтрансфераза, другу – глікозилтрансфераза:
Кінцевий обмін
Основними кінцевими продуктами обміну вуглеводів є вода і вуглекислий газ. Вода виділяється з сечею, потом, каловими масами, повітрям, що видихається. Вуглекислий газ виділяється легенями з повітрям, що видихається. В сечі міститься деяка кількість глюкуронової кислоти, яка, знешкоджуючи отруйні речовини, утворює парні сполуки. В калі містяться неперетравлені через якісь причини або важко переварювані (лігнін, клітковина) вуглеводи.
Регуляція вуглеводного обміну
У регуляції вуглеводного обміну беруть участь нервова система, залози внутрішньої секреції, печінка і деякі вітаміни. Центри, які регулють вуглеводний обмін, розміщені в корі великих півкуль, проміжному і довгастому мозку, в гангліях вегетативної нервової системи. Фістульні досліди, проведені І.П. Павловим і його послідовниками на залозах харчового каналу, свідчать про головну роль центральної нервової системи в регуляції вуглеводного обміну, оскільки її функціональним станом визначається характер і інтенсивність секреції травних соків, ступінь глікогенеза і гліконеогенеза, швидкість реакцій глікогеноліза і гліколіза.
Існує прямий зв'язок між вмістом глюкози в крові і функціональним станом центральної нервової системи. Так, зменшення концентрації глюкози в крові викликає збудження відповідних нервових центрів в гіпоталамусі і довгастому мозку. Нервові імпульси по аксонах через прикордонний симпатичний стовбур поступають в сонячне сплетення, потім у печінку, де активується фосфорилаза, яка розщеплює глікоген до глюкозо-1-фосфата. Відновлюється рівень глюкози в крові.
У регуляції вуглеводного обміну беруть участь гормони гіпофіза, коркової і мозкової речовини наднирників, підшлункової і щитовидної залоз. Так, гормон підшлункової залози інсулін, потрапляючи з потоком крові в печінку, активує гексокіназу, гальмує активність глюкозо-6-фосфатази. Це призводить до утворення глюкозо-6-фосфата і глікогену. Глюкагон стимулює розпад глікогену шляхом активізації фосфорилази. Фосфорилаза активується гормонами наднирників – адреналіном і норадреналіном. Під їх впливом відбувається розпад глікогену до глюкози. Аналогічною дією володіють соматотропний гормон гіпофіза (СТГ), глюкокортикоїди коркового шару наднирників і гормон щитовидної залози тироксин. Так, СТГ гальмує фосфорилування глюкози і активує інсуліназу. Глюкокортикоїди активують глюкозо-6-фосфатазу, піруваткарбоксилазу, фосфопіруваткіназу, ферменти гліконеогенеза.
Посередником між гормонами і ферментами є циклічна форма АМФ (цАМФ), яка „вмонтована” в мембрани клітин. Її діяльність активується адреналіном, глюкагоном і AKTГ. При збільшенні вмісту цАМФ – зростає інтенсивність фосфороліза глікогену. Між дією інсуліну, адреналіну, глюкагона й інших гормонів встановлюється динамічна рівновага, яка регулюється центральною нервовою системою. Таким чином здійснюється загальна нейрогуморальна регуляція вуглеводного обміну.
Гепатоцити володіють здатністю регулювати насичення протікаючої через печінку крові глюкозою. Так, при високих концентраціях глюкози в крові вони можуть поглинати надлишок вуглеводу, а при низьких – віддавати його.
Майже всі вітаміни групи В беруть участь у регуляції вуглеводного обміну, особливо вітамін В1 (складова частина ТПФ), PP (входить до складу НАДФ+), біотин (входить до складу піруваткарбоксилази), пантотенова кислота (складова частина коензиму А) й ін.
Патологія вуглеводного обміну
Причинами патології вуглеводного обміну можуть бути багато інфекційних, інвазивних і незаразних хвороб. Патологія вуглеводного обміну найчастіше виявляється у вигляді гіперглікемії і глюкозурії, ацетонемії і ацетонурії, порушень азотного, водного і мінерального обмінів, ін.
Гіперглікемія – збільшення вмісту цукру в крові вище за норму. Гіперглікемія призводить до глюкозурії – появі глюкози в сечі. Причиною цих явищ може бути цукровий діабет – захворювання, яке характеризується зниженим вмістом інсуліну, що необхідний для перетворення глюкози в глікоген. У ряді випадків спостерігається гіпоглікемія – зменшення вмісту глюкози в крові нижче за норму. Причини можуть бути різні: підвищення вмісту інсуліну, зменшення інтенсивності синтезу антагоністів інсуліну, голодування, захворювання харчового каналу та ін.
З порушеннями обміну вуглеводів пов'язані порушення обміну інших речовин і, перш за все, ліпідів (ще в минулому столітті з'явився крилатий вираз: жири згоряють у полум'ї вуглеводів). Ці порушення характеризуються ацетонемією – збільшенням у крові вмісту ацетонових тіл (ацетону, b-оксимасляної і ацетооцтової кислот) до 0,5 г/л (норма – 0,06 – 007 г/л) і ацетонурією – насиченням сечі ацетоновими тілами до 2,5 – 3 г/л (норма 0,09 – 0,01 г/л). Такий стан називають кетозом. Він виникає при неправильно складеному вуглеводному раціоні. Це призводить до ацидозу – надмірному вмісту кислот в організмі і до діабетичної коми – загрожуючому життю стану, який характеризується втратою свідомості, різким порушенням серцево-судинної діяльності, дихання, температурної регуляції.
Порушення процесів гліконеогенеза викликає надмірне руйнування білків і збільшення вмісту в крові і сечі продуктів азотного обміну. Необхідність видалення з організму отруйних продуктів спричинює за собою порушення водного і мінерального обміну. У ряді випадків (при цукровому діабеті) виникає поліурія – надмірне виділення сечі і збіднення організму водою. З сечею „вимивається” багато мінеральних речовин, необхідних організму.
Зустрічаються і інші порушення вуглеводного обміну: ідіопатична пентозоурія (з сечею виділяється велика кількість пентоз), генетичного походження галактозонемія і галактозоурія, непереносимість організмом лактози і сахарози, глікогенози, ін.
Лекція № 11. Обмін ліпідів.
Обмін ліпідів – багатоступінчатий процес, який складається з чотирьох етапів: перетравлювання, всмоктування, проміжного і кінцевого обміну.
Біологічна роль ліпідів в організмі
Ліпіди, як і білки, вуглеводи та інші речовини, відіграють в організмі важливу біологічну роль. Вона насамперед визначається тим, що ці речовини характеризуються комплексом своєрідних фізико-хімічних властивостей.
В організмах людини і тварин ліпіди входять до складу всіх клітин. Однак розподілені вони між різними органами і тканинами нерівномірно і кількість різних груп ліпідів у них також неоднакова.
Значна частина ліпідів входить до складу клітин організму як пластичний матеріал. Вони утворюють в основному комплекси з білками (ліпопротеїди), вуглеводами (гліколіпіди) та деякими іншими речовинами. Такі комплекси і становлять основу структури клітин і тканин організму. Значна кількість ліпопротеїдних комплексів входить до складу клітинних мембран та мітохондрій, в яких проходять важливі метаболічні процеси – фосфорилююче, вільне окислення, b-окислення жирних кислот та інші реакції проміжного обміну. Ліпіди, що сходять до складу мембран, беруть безпосередню участь у процесах активного транспорту крізь мембрани молекул та іонів, специфічної рецепції на поверхні клітин, передачі нервових імпульсів тощо. Оскільки клітинні мембрани є важливими регуляторами багатьох біохімічних процесів, то зміна структури, складу та орієнтації мембранних ліпідів викликає значні порушення клітинного метаболізму.
Ліпіди в організмі виконують важливу енергетичну функцію. За рахунок жирів їжі в середньому на 25 – 35 % задовольняється добова потреба людини в енергії. Під час окислення 1 г жиру вивільняється 36,5 – 39,9 кДж енергії, тобто значно більше, ніж під час окислення такої самої кількості білків і вуглеводів.
Разом з тим деякі ліпіди є субстратом для утворення біологічно активних речовин в організмі. Це вітаміни груп А і D, гормони кори наднирникових залоз, статеві гормони, жовчні кислоти, простагландини та інші сполуки.
Жири виконують важливі механічну і термоізоляційну функції. Так, відкладаючись під шкірою, в сальнику та інших органах, вони захищають організм від різних травм та змін температурного режиму.
В організмі є два види жирів – резервний і конституційний. Резервний жир виконує в основному енергетичну, механічну і термоізоляційну функції. Значні кількості його відкладаються в організмі у підшкірній жировій клітковині (40 – 50 %), сальнику (20 – 25 %), м'язах (5 – 8 %). У середньому кількість резервних жирів становить 10 – 15 % маси тіла, а при ожирінні може коливатись у межах 30 – 50 %. Вміст конституційних, або протоплазматичних, жирів змінюється у вузьких межах. Кількість їх в організмі в основному стала. Навіть під час голодування організму вміст протоплазматичних жирів практично не змінюється. За цих умов в основному зменшується кількість резервних жирів.
Ліпіди потрапляють до організму з їжею у комплексах з білками, вуглеводами та іншими речовинами. Потреба в жирах для організму людини залежить від характеру її трудової діяльності (табл. 1). Важливе значення має температура навколишнього середовища. Так, потреба в жирах для людини похилого віку та при незначних фізичних навантаженнях знижується, а при низьких температурах і виконанні важкої фізичної роботи – підвищується.
Досить важливим для організму є співвідношення у продуктах харчування між жирами тваринного й рослинного походження та між вмістом окремих ліпідів – фосфоліпідів, ненасичених жирних кислот і стеринів та стеридів. Вважають, що доросла людина залежно від умов зовнішнього середовища і виду трудової діяльності щодобово повинна одержувати 8 – 10 г фосфоліпідів, 8 – 15 г ненасичених жирних кислот і 0,3 – 0,5 г холестерину. Для забезпечення збалансованості харчового раціону необхідно також підтримувати належне співвідношення між білками, ліпідами і вуглеводами (1 : 1 : 4).
Таблиця 1.
Добова потреба організму людини в жирах залежно від характеру
трудової діяльності
|
Вид діяльності |
Жир |
|
|
тваринний |
рослинний |
|
|
Розумова праця: |
||
|
чоловіки |
87 |
26 |
|
жінки |
73 |
25 |
|
Легка фізична праця: |
||
|
чоловіки |
106 |
36 |
|
жінки |
90 |
27 |
|
Важка фізична праця: |
||
|
чоловіки |
143 |
43 |
Перетравлювання ліпідів
Більшість ліпідів засвоюється організмом тільки після попереднього розщеплення. Під впливом травних соків вони гідролізуються до простих сполук (гліцерину, вищих жирних кислот, стеринів, гліколів, H3PO4, азотистих основ, вищих спиртів та ін.), які і всмоктуються слизовою оболонкою харчового каналу.
У ротовій порожнині харчі, що містять ліпіди, механічно подрібнюються, перемішуються, змочуються слиною і перетворюються на харчову грудку. У складі слини немає ферментів, здатних гідролітично розщеплювати ліпіди.
Подрібнені харчові маси по стравоходу поступають в шлунок (у жуйних – передшлунок і сичуг). Тут вони перемішуються і просочуються шлунковим соком. У шлунку харчові маси знаходяться від 4 до 12 годин. Шлунковий сік містить деяку кількість ліпази, здатної гідролітично розщеплювати емульгований жир.
З шлунку кормові маси невеликими порціями поступають в дванадцятипалу кишку, потім в тонку і клубову. Тут завершується перетравлювання ліпідів і відбувається всмоктування продуктів їх розщеплення. У перетравлюванні ліпідів беруть участь: жовч, сік підшлункової залози і кишковий сік.
Жовч – це секрет, який синтезується гепатоцитами. Печінка людини щодоби виробляє до 1 літра жовчі, коня – 6 – 7 л, великої рогатої худоби – 6 – 7, свиней – 0,5 – 1, собак – 0,25 – 0,3 л. Розрізняють жовч міхура і печінкову. Густина печінкової жовчі складає 1,009 – 1,013; рН=7,5; вміст води – 96 – 99%. Густина жовчі міхура – 1,026 – 1,048; рН=6,8; вміст води – 80 – 86%. Жовч – в'язка рідина гірка на смак, має специфічний запах, забарвлена в золотисто-жовтий (у людини, свині), червоно-жовтий (у м'ясоїдних) або темно-зелений (у травоїдних) кольори. Має складний хімічний склад. Основу залишку жовчі складають жовчні кислоти, жовчні пігменти, продукти розпаду гемоглобіну, муцин, холестерин, лецитин, жири, деякі ферменти, гормони та ін.
Значення жовчі. Вона нейтралізує харчові маси, що поступають з шлунку в тонку кишку; бере участь в емульгуванні ліпідів, їх розщепленні і всмоктуванні; сприяє нормальній перистальтиці кишок; бактеріостатично діє на мікрофлору кишок. З жовчю виділяються отрути екзо- і ендогенного походження.
Жовчні кислоти синтезуються в печінці з холестерину. Вони знаходяться в жовчі у вільному і зв'язаному (у вигляді парних сполук) стані. Окремі жовчні кислоти – гліко- і таурохолева – існують у вигляді натрієвих солей. Гліко- і таурохолева кислоти містяться в жовчі всіх тварин, холева та літохолева переважає в жовчі травоїдних. Всі жовчні кислоти – похідні холанової кислоти:
Жовчні кислоти знижують поверхневий натяг жирових і інших ліпідних крапель, емульгуючи їх. Це робить субстрат доступним дії гідролітичних ферментів. Жовчні кислоти беруть участь в транспортуванні нерозчинних у воді компонентів (стеринів) через клітинні мембрани в кровоносне і лімфатичне русло. Вони стимулюють виділення соку підшлункової залози і активують діяльність ферментів ліпідного, вуглеводного і білкового обміну.
В тонкій кишці харчові маси просочуються також соком підшлункової залози в якій містяться гідрокарбонат натрію і ліполітичні ферменти: ліпази, холінестерази, фосфоліпази, фосфатази та ін. На ліпіди діють ферменти кишкового соку (ліполітичний фермент, лужна фосфатаза, ін.), які завершують процеси гідролітичного розщеплення „уламків” ліпідних молекул. Перетравлювання різних ліпідів має свої особливості.
Перетравлювання жирів. Основна маса жирів (95 – 97%) перетравлюється в тонкій кишці і, перш за все, в дванадцятипалій. Перетравлювання складається з двох процесів: емульгування і гідролітичного розщеплення жиру. Емульгування відбувається під впливом солей жовчних кислот, вищих жирних кислот, моногліцерину, NaHCO3, CO2, білків, ін. Жирові краплі подрібнюються, утворюючи найдрібнішу жирову емульсію внаслідок різкого зниження поверхневого натягу жирових крапель, розпаду їх на дрібні частинки і утворення адсорбата – жир + ліпаза.
Гідроліз. Ліпаза спочатку гідролітично розкладає зовнішні складноефірні зв'язки:
b-Моногліцериди можуть частково всмоктуватися стінкою кишки, йти на ресинтез тригліцеридів організму в тій же стінці кишки або піддаватися подальшому розпаду:
Перетравлювання стеридів. Стериди емульгуються під впливом тих же чинників, що і жири, після чого розщеплюються ферментом холестеролестеразою до холестерину і вищих жирних кислот.
Стериди, що містять залишки насичених жирних кислот розщеплюються важче.
Перетравлювання фосфатидів. Фосфатиди емульгуються під впливом тих же речовин, що і дві попередні групи ліпідів. Гідролітичне розщеплення фосфатидів відбувається під впливом фосфоліпаз А, В, С і D. Кожний фермент діє на певний складноефірний зв'язок ліпіду. Так, під впливом фосфоліпази А гідролізується зв'язок в положенні 2:
Лізолецитин – сильна отрута, міститься у вільному стані в зміїній отруті. В організмі він відразу ж розщеплюється фосфоліпазою В:
Кефаліни і серинфосфатиди під впливом фосфоліпази А гідролізуються до лізокефалін- і лізосеринфосфатидів, які далі розщеплюються фосфоліпазою В.
Гліцерофосфорилхолін під впливом фосфоліпази С гідролізується до гліцерину і холінфосфата:
Фосфоліпаза D гідролізує холінфосфат до холіна і фосфорної кислоти:
Решта ліпідів (діольні ліпіди, віск, інозит- і сфінгозинфосфатиди, ацеталь- і треонінфосфатиди, гліколіпіди, сульфатиди) істотного значення в харчовому балансі не мають.
Всмоктування ліпідів
Більшість ліпідів всмоктується в нижній частині дванадцятипалої і у верхній частині тонкої кишки, інші – в інших ділянках тонкої кишки. Продукти розщеплення ліпідів всмоктуються епітелієм ворсинок. Всмоктуюча поверхня епітеліальної клітини збільшена за рахунок мікроворсинок. Епітеліальна клітина в середньому містить до 3000 мікроворсинок. Кожна мікроворсинка має один субмікроскопічний каналець.
Ліпідні речовини і продукти їх розщеплення проникають у порожнину клітини покривного епітелію двома способами: через субмікроскопічні канальці мікроворсинки і через інтерстеціальні щілини. В першому випадку процес відбувається за допомогою дифузії, осмосу і активного транспортування, в другому – завдяки піноцитозу, тобто захопленню клітинною поверхнею найдрібніших харчових частинок.
У людини і тварин 10% жиру всмоктується у вигляді тригліцеридів, 10% – у ди- і моногліцеридів, 80% – у вигляді продуктів кінцевого гідролізу.
Продукти перетворення ліпідів складаються з дрібних частинок жиру, ди- і моногліцеридів, вищих жирних кислот, гліцерину, гліцерофосфатів, азотистих основ, холестерину, вищих спиртів, фосфорної кислоти та ін. Вони розподіляються в двох фазах: ліпідній і міцелярній. У ліпідній фазі основними компонентами є найдрібніші частинки три- і дигліцеридів, у міцелярній – вищі жирні кислоти, моногліцериди та інші продукти перетворення ліпідів.
Продукти перетворення ліпідів всмоктуються неоднаково. Легко всмоктуються гліцерин і гліцерофосфати, інозин і сфінгозин. Фосфорна кислота всмоктується у вигляді натрієвих і калієвих солей. Азотисті основи всмоктуються за участю нуклеотидів типу цитидиндифосфата, утворюючи комплекс, наприклад цитидин-дифосфатхолін:
Вищі жирні кислоти не розчиняються у воді, але за наявності жовчних кислот утворюють розчинні комплекси – холеїнові кислоти. На одну молекулу вищої жирної кислоти в розчинних комплексах доводиться в середньому 2 – 4 молекули жовчних кислот. Співвідношення між ними в комплексах може бути наступним: 4:1, 7:2, 8:3, 9:3 і т.д. У розчинному комплексі гідрофобний радикал вищої жирної кислоти оточений з усіх боків молекулами жовчних кислот. Гідрофільна частина молекул жовчних кислот розміщується зовні розчинного комплексу і легко взаємодіє з водою. В результаті цього розчинний комплекс легко проникає в порожнину епітеліальної клітини. Найбільший ступінь всмоктування мають олеїнова і масляна кислоти (98 – 90%), менший – пальмітинова і стеаринова (88 – 60%). Стерини теж не розчиняються у воді. Їх всмоктування відбувається після взаємодії з жовчними кислотами і утворення холеїнових кислот. Багато стеринів, особливо рослинного походження, всмоктуються повільно, гальмуючи засвоєння організмом холестерину.
При всмоктуванні окремих ліпідів спостерігається синергізм. Так, ступінь всмоктування жирів і холестерину зростає при збільшенні в кишках екзогенного і ендогенного лецитину. Останній бере участь в утворенні стійких емульсій і хіломікронів. Припускають, що лецитин здійснює перенесення гліцеридів через слизову оболонку кишки в кровоносне русло.
У товстій кишці немає ферментів які б проявляли гідролітичну дію на ліпіди. Ліпідні речовини, які не зазнають змін в тонкій кишці, в цій ділянці харчового каналу піддаються гнильному розкладанню під впливом ферментів мікрофлори. Слиз товстої кишки містить деяку кількість фосфатидів. Частина з них резорбується. Холестерин, що не всмоктався, відновлюється до копростерина.
Проміжний обмін
Обмін ліпідів тісно пов'язаний з обміном вуглеводів, білків, мінеральних сполук і вітамінів, оскільки вони мають багато загальних продуктів метаболізму, що зв'язують обмін речовин в єдине ціле. Проміжний обмін ліпідів має і свої особливості, які заключаються в тому, що в тонкій кишці відразу ж після всмоктування продуктів гідролізу ліпідів в слизовій оболонці відбувається їх ресинтез.
Ресинтез ліпідів. В епітеліальних клітинах слизової оболонки відбувається розпад комплексів на ліпідну частину і переносник. Якщо переносником були жовчні кислоти, то після розпаду комплексу вони поступають у міжклітинний простір, потім – у венозну сітку ворсинки, вени брижейки, ворітну вену і печінку. Жовчні кислоти знову поступають у жовчний міхур, потім по жовчній протоці в дванадцятипалу кишку. У дорослої людини за добу в печінці синтезується 50 г жовчних кислот, а для травлення необхідні 200 г жовчних кислот, тому кожна молекула жовчної кислоти щодоби виконує в середньому чотири „кругообіги”.
Ресинтез ліпідів починається в ендоплазматичній сітці апікальної частини і завершується в базальній частині епітеліальної клітини. В цьому процесі беруть участь мітохондрії (хімічна енергія), пластинчатий комплекс Гольджі (транспорт ліпідів), лізосоми (утилізація продуктів метаболізму) й інші органоїди клітини. Ресинтез ліпідів каталізується багатьма ферментними системами, до складу яких входять гідролази, трансферази, ізомерази, синтетази та ін.
В епітеліальних клітинах з молекул синтезованих ліпідів, крапельок жиру, що всмокталися, вітамінів (А, D, E, К, F) і білків утворюються хіломікрони діаметром 150 – 200 (іноді 500) нм (рис. 1).
Рис. 1. Схема будови хіломікрона
Хіломікрони, які утворилися, дифундують у міжклітинну рідину через бічні поверхні і базальний край клітини. Потім вони поступають у лімфатичний капіляр ворсинки (рис. 2), з нього – в підепітеліальну і підслизову сітку кишки, брижові вузли, грудну лімфатичну протоку і краніальну порожнисту вену. Хіломікрони лімфи грудної лімфатичної протоки містять 86 % гліцеридів, 1,6 – вільного холестерину, 1,6 – стеридів, 8,6 – фосфатидів і 1,5% білків.
Частина ліпідів, в основному, фосфатиди, після ресинтезу поступають з міжклітинного простору в кровоносне русло, печінку і використовується для різних потреб організму.
Ліпіди крові. Різні органи і тканини одержують ліпіди і продукти їх розщеплення з током крові. Кров, що відтікає від тонкої кишки, більш багата ліпідами, ніж кров, що поступає в загальне кровоносне русло від інших систем і органів. У плазмі крові вміст ліпідів досягає 0,7%.
Існує декілька видів транспортування ліпідів: за допомогою хіломікронів, ліпопротеїдів і вільних жирних кислот. Хіломікрони добре розчиняються в плазмі крові, оскільки мають ліофільну білкову оболонку. В основному переносять тригліцериди. Можуть розщеплюватися ліпопротеїд-ліпазою на дрібні частинки, що сприяє їх засвоєнню.
Рис. 2. Механізм перетравлювання і всмоктування ліпідів
Розрізняють a- і b-ліпопротеїди крові. Їх молекули складаються з білкової і ліпідної частин. a-Ліпопротеїди є основними переносниками фосфатидів. b-Ліпопротеїди – переносники холестерину і його ефірів.
Вільні жирні кислоти – найрухоміша форма транспортування ліпідів крові. За допомогою мічених атомів встановлено, наприклад, що пальмітинова кислота зникає з току крові протягом 2 – 3 хвилин. У транспортуванні жирних кислот з мітохондрій у гіалоплазму, де вони піддаються b-окисленню, бере участь карнітин – вітамін Вт.
Важлива роль в активному транспортуванні належить форменим елементам крові. Так, еритроцити беруть участь в перенесенні до тканин і клітин фосфатидів і холестерину, лейкоцити – жирів і фосфогліцеридів. У лейкоцитах міститься багато ліполітичних ферментів, які здійснюють гідроліз ліпідів.
Ліпіди крові використовуються в організмі для пластичних потреб, як джерело хімічної енергії і сировина для синтезу багатьох біологічно важливих речовин. У загальному ліпідному обміні важлива роль належить печінці і жировим депо.
Обмін ліпідів у печінці. У печінці частина ліпідів, що всмокталися, піддається істотним змінам. Решта маси ліпідів після проходження через печінку стає придатною для відкладення в жирових депо у вигляді запасних речовин. У тканинах печінки, перш за все, здійснюється синтез ліпідів, необхідних для її власних потреб. Тут відбувається подовження і вкорочення вуглецевих ланцюгів, утворення і гідрування подвійних зв'язків у радикалах вищих жирних кислот, синтез кетонових тіл, ін.
Молекули вищих жирних кислот в тканинах печінки, як показали досліди з міченими атомами, обновляються протягом 1 – 2, холестерину – 6 – 30 діб. У печінці утворюється щодня близько 5% всіх жирних кислот організму. Печінка – основний орган, де синтезуються різні види фосфатидів для плазми крові.
Обмін ліпідів в жирових депо. Основна маса ліпідів і їх похідних, що поступили, з харчового каналу, відкладається в жирових депо – підшкірній і принирковій клітковині, сальнику, брижі, м'язовій тканині. Жирова тканина на 95% складається з ліпідів.
Хімічний склад резервних жирів визначається складом їжі. Будь-який жир перед тим, як використовуватися тканинами і клітинами, повинен обов'язково побувати в жировому депо. У міру необхідності жири і інші ліпіди з депо поступають у плазму крові, а потім розносяться по всьому організму. Вихід ліпідів з депо регулюється нервовою і гуморальною системами.
Обмін ліпідів в інших органах і тканинах. Ліпіди крові і їх складові частини поступають до різних органів і тканин. У крові хіломікрони під впливом гепарина подрібнюються до дрібних частинок. З током крові вони поступають у міжклітинну рідину, де і піддаються розщепленню під впливом тканинних ферментів. Далі складові частини ліпідів йдуть на синтез специфічних ліпідів для органів, тканин і клітин.
Біосинтез ліпідів
Біосинтез різних груп ліпідів має свої особливості.
Біосинтез жирів. Біосинтез жирів складається з трьох основних етапів: синтез гліцерину, вищих жирних кислот і сполучення їх в молекули тригліцеридів.
Синтез гліцерину. Близько 60% гліцерину утворюється з продукту проміжного обміну вуглеводів – діоксіацетонфосфата, решта поступає за рахунок тріоз пентозного циклу. Під впливом ферменту гліцерофосфатдегідрогенази діоксіацетонфосфат перетворюється в a-гліцерофосфат:
Частина гліцерину утворюється в результаті гідролізу гліцеридів клітин і міжклітинної рідини під впливом ліпаз:
Далі гліцерин під впливом ферменту гліцеролкінази перетворюється в a-гліцерофосфат:
Фосфорилування гліцерину відбувається в більшості тканин і органів, окрім жирової тканини і слизової оболонки тонкої кишки, в яких фермент відсутній.
Біосинтез вищих жирних кислот. Головним компонентом, з якого утворюються вищі жирні кислоти, є ацетил-KoA. Він утворюється в процесі аеробного розпаду вуглеводів, b-окислення жирних кислот та ін.
Розрізняють два типи біосинтезу вищих жирних кислот: мітохондріальний і немітохондріальний. Перший з них протікає в основному в мітохондріях клітин багатьох органів (печінки, серця, мозку, нирок) і деяких тканин (жировій). Реакції каталізують ферменти синтетази, які локалізуються на мембранах органоїдів і здатні подовжувати молекули вже існуючих активованих залишків вищих жирних кислот за рахунок ацетил-КоА і НАД×Н2:
Другий тип біосинтезу вищих жирних кислот відбувається в гіалоплазмі різних клітин. У ньому беруть участь ферменти карбоксилази, НАДФ×Н2, АТФ і Mg2+. У складі молекул карбоксилази простетична група містить залишок вітаміну біотину, який здатний зв'язувати CO2.
На першому етапі біосинтезу відбувається вбудовування CO2 в молекулу біотин-ферменту (ацетил-КоА – карбоксилази) під впливом ферменту карбоксилази:
Потім CO2 переноситься на ацетил-КоА, що призводить до утворення малоніл-КоА:
На наступному етапі йде поступове нарощування вуглеводневого радикала жирних кислот до потрібної величини за рахунок малоніл-КоА і ацетил-КоА з участю відповідних синтетаз. При цьому на кожному етапі ланцюг жирної кислоти подовжується на два вуглецеві атоми.
Якщо при біосинтезі утворюється пальмітинова кислота, то хімізм взаємодії ацетил-КоА і малоніл-КоА можна виразити так:
Останніми роками встановлений ще один шлях біосинтезу вищих жирних кислот – за допомогою білка ацилпереносника (АПБ), що містить простетичну групу, схожу з KoA. При цьому ацильні групи ацетил-КоА і малоніл-КоА переносяться на тіолові групи АПБ ферментами ацетил- і малонілтрансферазами. Koферментом є НАДФ×Н2, який утворюється в результаті функціонування пентозного циклу, окислення глутамінової кислоти, ін.
Біосинтез вищих жирних кислот з участю АПБ складається з ряду стадій:
; ;
;
; ; ;
Далі відбувається нарощування вуглеводневого радикала жирної кислоти до величини, необхідної для біосинтезу потрібних клітині ліпідів.
Біосинтез тригліцеридів здійснюється в більшості тканин. Джерелом для синтезу є гліцерофосфат і ацил-KoA. Реакція протікає в декілька стадій. Спочатку утворюється фосфатидна кислота:
Реакцію каталізує мультиферментний комплекс – гліцерофосфатацилтрансфераза, яка локалізується в мікросомах.
Далі фосфатидна кислота під впливом ферменту фосфатидатфосфогідролази перетворюється в a-, b-дигліцерид – проміжний продукт біосинтезу жирів і фосфатидів:
На останній стадії a-, b-дигліцерид під впливом того ж мультиферментного комплексу взаємодіє з ацил-КоА, утворюючи тригліцерид:
Біосинтез стеринів і стеридів. Стериди синтезуються з екзогенного і ендогенного холестерину та вищих жирних кислот. Найбільша кількість холестерину утворюється в тканинах печінки, головного мозку, наднирниках. Сировиною для біосинтезу служить оцтова кислота, оцтовий альдегід, ацетооцтова кислота, ацетон, ізовалеріанова кислота та ін. Будівельним блоком є ацетил-КоА. Біосинтез холестерину складається з ряду стадій, що включають конденсацію ацетилових одиниць в сквален, циклізацію сквалена в ланостерин, деметилювання ланостерина і утворення холестерину. В цих реакціях беруть участь багато ферментів, коферментів, гормонів, макроергічні сполуки (АТФ) та ін.
Розглянемо послідовність стадій біосинтезу холестерину.
1. Спочатку три молекули ацетил-КоА конденсуються у b-окси-b-метилглутарил-КоА:
2. b-Окси-b-метилглутарил-КоА під впливом ферменту редуктази перетворюється на мевалонову кислоту:
3. Під впливом ферменту кінази мевалонова кислота фосфорилується і перетворюється на пірофосфатмевалонову кислоту:
4. Під впливом ферменту декарбоксилази відбувається декарбоксилування пірофосфатмевалонової кислоти; утворюється ізопентилпірофосфат – „активний ізопрен”:
5. Під впливом ферменту ізомерази частина молекул ізопентилпірофосфата ізомеризується в диметилалілпірофосфат:
6. Молекули ізопентилпірофосфата і диметилалілпірофосфата конденсуються з утворенням геранілпірофосфата:
7. Геранілпірофосфат взаємодіє з ізопентилпірофосфатом з утворенням фарнезилпірофосфата:
8. Дві молекули фарнезилпірофосфата конденсуються у вуглеводень сквален С30Н50, що містить шість подвійних зв'язків. Сквален в аеробних умовах циклізується, перетворюючись в ланостерин. Ланостерин деметилюється (втрачає три метильні групи), перетворюючись спочатку в зимостерин, потім – в десмостерин і, нарешті, в холестерин:
Невелика частина холестерину в тканинах синтезується з деяких амінокислот (лейцина). Після дезамінування і окислення утворюється ацетооцтова кислота – джерело b-окси-b-метилглутарил-KoA.
Холестерин характеризується високим ступенем обміну. Так, протягом доби 20% холестерину з міткою в бічному ланцюзі окислюється до CO2 і H2O. В окремих органах холестерин служить основою для біосинтезу молекул гормонів і біологічно важливих речовин (жовчних кислот).
Біосинтез фосфатидів. У тканинах і клітинах синтезуються окремі види гліцеро-, інозит- і сфінгозинфосфатидів. Перші стадії синтезу гліцерофосфатидів співпадають з такими при біосинтезі жирів (див. вище). Спочатку утворюються фосфатидні кислоти з фосфотріоз. Потім до них приєднуються вищі жирні кислоти у вигляді ацил-КоА. При утворенні молекули гліцерофосфатида один із залишків вищої жирної кислоти повинен належати ненасиченій жирній кислоті (олеїновій, лінолевій, ліноленовій), що поступає в організм у складі раціону. Під впливом фосфатаз фосфатидні кислоти гідролізуються, перетворюючись і a, b-дигліцериди. a, b-Дигліцериди взаємодіють з активованими азотистими основами, утворюючи молекули відповідних фосфатидів. Активація відбувається так:
Азотиста основа фосфорилується. Холін під впливом ферменту холінкінази перетворюється на фосфорилхолін:
Фосфорилхолін під впливом ферменту холінфосфатцитидилилтрансферази взаємодіє з цитидинтрифосфатом (ЦТФ), перетворюючись в цитидиндифосфат-холін (ЦДФ-холін):
ЦДФ-холін під впливом ферменту холінфосфотрансферази вступає в реакцію з a, b-дигліцеридом, що призводить до утворення фосфатида і виділення цитидинмонофосфата (ЦМФ):
ЦМФ взаємодіє з АТФ під впливом ферменту ГТФ-аденілаткінази, перетворюючись в ЦТФ:
ЦМФ + 2АТФ ® ЦТФ + 2АДФ.
ЦТФ вступає в реакцію з новими порціями фосфатів азотистих основ, виконуючи функції специфічного каталізатора.
Біосинтез інших гліцерофосфатидів протікає аналогічно. В синтезі інозитфосфатидів центральне місце належить цитидиндифосфатдигліцериду, який взаємодіючи з молекулами інозиту, утворює моно-, ди- і триінозитфосфатиди.
Фосфатиди синтезуються у всіх клітинах тваринного організму. Найбільша кількість фосфатидів утворюється в печінці і тонкій кишці. Фосфатиди гепатоцитів запобігають печінковому ожирінню. Для фосфатидів характерний високий ступінь метаболізму.
Біосинтез гліколіпідів. Із всіх гліколіпідів найбільш детально вивчений біосинтез цереброзидів. У цьому процесі беруть участь багато ферментів, коферменти, іони Mn2+ та інші речовини. Реакції протікають в такій послідовності.
1. З пальмітил-КоА утворюється пальмітиновий альдегід:
2. Пальмітиновий альдегід конденсується з серином, що призводить до утворення дигідросфінгозина:
3. Дигідросфінгозин дегідрується, утворюючи сфінгозин:
4. Відбувається ацилювання сфінгозина з утворенням цераміда:
5. Церамід вступає в реакцію з УДФ-галактозою, що призводить до утворення цереброзида:
Ліполіз
Ліполізом називається процес ферментативного розщеплення ліпідів тканин і клітин до їх складових частин, які використовуються для задоволення різних потреб організму — енергетичних, пластичних та ін. Обмін різних груп ліпідів, разом із загальними ознаками, має певні особливості.
Перетворення жирів. Під впливом тканинних ліпаз, які активуються солями фосфорної кислоти, нейтральні жири розщеплюються до гліцерину і вищих жирних кислот:
Цей процес найбільш інтенсивно протікає в печінці і легенях. Продукти розпаду жиру відрізняються за своєю хімічною структурою і шляхами перетворення в тканинах і клітинах.
Обмін гліцерину. Після гідролізу жиру гліцерин під впливом ферменту гліцеролкінази фосфорилується. a-Гліцерофосфат, що утворився під впливом ферменту гліцеральдегід-фосфатдегідрогенази окислюється у фосфогліцериновий альдегід, який включається в четверту стадію анаеробного розщеплення вуглеводів або служить джерелом для біосинтезу специфічних жирів тканин, гліцерофосфатів і інших речовин:
Обмін вищих жирних кислот. Механізм розпаду вищих жирних кислот в організмі пояснює теорія b-окислення жирних кислот, запропонована в 1904 р. німецьким біохіміком Ф. Кноопом. Згідно цієї теорії розпад жирних кислот протікає ступінчасто: від молекули жирної кислоти поступово відщеплюються двохвуглецеві фрагменти, розміщені в b-положенні.
Підставою для створення теорії b-окислення послужили такі факти. В кінці XIX ст. було встановлено, що ароматичні кислоти з організму виводяться з сечею в знешкоджуваному стані – у вигляді парних сполук з глікоколом: бензойна – у вигляді гіпурової, фенілоцтова – у вигляді фенацетурової кислот:
,
Ф. Кнооп почав „мітити” жирні кислоти раціону ароматичними радикалами. Якщо мітилась жирна кислота з парним числом атомом вуглецю (масляна, капронова, каприлова і т.д.), то в сечі виявлялася фенацетурова кислота. Якщо в раціоні були присутні кислоти з непарним числом атомів вуглецю (пропіонова, валеріанова), в сечі виявлялася гіпурова кислота. Отже, припустив Ф. Кнооп, в тканинах відбувається розпад жирної кислоти на двохвуглецеві фрагменти, а сама „мітка” в печінці з'єднується з цими фрагментами, утворюючи фенацетурову і гіпурову кислоти. Так була створена схема b-окислення вищих жирних кислот.
Припущення Ф. Кноопа були підтверджені в 1937 р. дослідами Шенхеймера і Ріттенберга. Вони згодовували мишам мічену D2 (дейтерієм) стеаринову кислоту і через деякий час знаходили в тканинах D-пальмітинову кислоту. Незабаром А. Ленінджер встановлює, що двовуглецевий залишок включається в цикл трикарбонових кислот. А. Ленінджер і співробітники в 1949 р. встановлюють, що процес b-окислення відбувається в мітохондріях. Уточнюються деталі b-окиcлення (Д. Грін, Ф. Лінен, С. Очоа та ін.). Встановлюється, що ненасичені жирні кислоти перед b-окисленням перетворюються в ненасичені. Створюється наступна сучасна схема b-окислення жирних кислот:
1. Під впливом аденілаткінази жирна кислота активується з утворенням ациладенілата:
2. Ациладенілат взаємодіє з HS-KoA під впливом ферменту ацил-КоА-синтетази з утворенням ацил-КоА:
3. Під впливом флавін-залежної дегідрогенази відбувається дегідрування активованого залишку жирної кислоти:
4. Залишок жирної кислоти під дією еноїл-КоА-гідратази гідрується в ділянці розриву подвійного зв'язку з утворенням b-оксиацил-КоА:
5. b-Оксиацил-КоА під впливом b-оксиацил-КоА-дегідрогенази у присутності НАД+ дегідрується, перетворюючись в кетоформу ацил-КоА:
6. Молекула кетоформи ацил-КоА під впливом ферменту ацетоацетил-КоА-тіолази і за наявності однієї молекули KoA розривається на дві частини: ацетил-KoA і ацил-КоА (останній має на два вуглеці менше початкової кислоти):
Ацил-КоА знову піддається b-окисленню до тих пір, поки вся молекула жирної кислоти не розпадеться на двохвуглецеві фрагменти – ацетил-КоА. Ацетил-КоА вступає в цикл трикарбонових кислот і інші реакції.
Вищі жирні кислоти є найважливішим джерелом хімічної енергії в організмі. При повному окисленні одного двохвуглецевого фрагмента жирної кислоти – ацетил-КоА – в мітохондріях утворюється п'ять молекул АТФ (дві – за рахунок ФАД×Н2 і три – за рахунок НАД×H2). При повному розпаді стеаринової кислоти утворюється дев'ять молекул ацетил-КоА, які дають 45 молекул АТФ (5 ´ 9 = 45). Якщо молекула ацетил-КоА включається в цикл трикарбонових кислот, то при її окисленні утворюється 12 молекул АТФ. Таким чином, дев'ять молекул ацетил-КоА, які утворилися при розпаді стеаринової кислоти, після окислення в циклі трикарбонових кислот є джерелом 108 молекул АТФ (12 ´ 9 = 108). Повне окислення однієї молекули стеаринової кислоти дає організму 153 молекули АТФ (45 + 108 = 153).
Перетворення стеридів і стеринів. Під впливом тканинних холестеринестераз стериди розщеплюються на холестерин і вищі жирні кислоти:
Вищі жирні кислоти використовуються як джерело хімічної енергії, сировина для синтезу ліпідів і інших речовин. Холестерин піддається різним перетворенням: у печінці з нього утворюються жовчні кислоти, в наднирниках – кортикостероїди, в статевих залозах – андро- і естрогени, ін. Частина холестерину дециклізується з утворенням ацетил-КоА, який бере активну участь в обміні речовин (схема 1).
Схема 1. Використання Ацетил-КоА
В деяких органах (печінка, нирки) двовуглецеві фрагменти молекули холестерину, що розпався, використовуються для біосинтезу глюкози й інших вуглеводів.
Перетворення фосфатидів. Молекула фосфатида розщеплюється в тканинах до спирту (гліцерину, інозиту, сфінгозину), вищих жирних кислот, фосфорної кислоти і азотистих основ. Гідроліз здійснюють ферменти типу фосфоліпаз. Гідроліз може бути повним і частковим. При частковому гідролізі найшвидше оновлюється та частина молекули, в якій був розміщений залишок азотистої основи, повільніше – „скелетна частина”. Фосфатидна кислота використовується тканинами для багатьох цілей – біосинтезу нових молекул різних фосфатидів, утворення нейтральних жирів, ін. Продукти кінцевого гідролізу молекули фосфатида можуть використовуватися тканинами для енергетичних, структурних і інших потреб. Високим ступенем метаболізму характеризуються фосфатиди печінки.
Перетворення решти ліпідів в тканинах. Експериментальні дані свідчать про те, що різні підгрупи гліколіпідів (цереброзиди, гангліозиди, страндин) і сульфатидів характеризуються високим ступенем обміну, особливо в нервовій тканині. Деталі їх тканинного метаболізму вивчені недостатньо.
Кінцевий обмін
Основними кінцевими продуктами ліпідного обміну є дві речовини – вуглекислий газ і вода. Вони виділяються легенями, нирками, товстою кишкою, пітними залозами. Вода виділяється переважно у складі сечі і поту, частково – у складі калу, повітря, що видихається. Основним органом, що виділяє вуглекислий газ, є легені. Кінцевий обмін для окремих груп ліпідів має деякі особливості.
Жири. При повному окисленні жиру в тканинах утворюється вуглекислий газ і вода. Так, якщо до складу молекули жиру входять залишки стеаринової, пальмітинової і лінолевої кислот, то загальне рівняння тканинного розпаду матиме наступний вигляд:
С55Н104О6 + 78O2 = 55СО2 + 52H2O.
Дихальний коефіцієнт (співвідношення між кількістю вуглекислого газу, який утворився при окисленні жиру, і кількістю кисню, необхідного для окислення) тут рівний 0,71.
Стерини і стериди. При окислювальному розпаді стеринів і стеридів кінцевими продуктами є вуглекислий газ і вода. Вони утворюються переважно в результаті b-окислення бічного ланцюга холестерину і залишків вищих жирних кислот. Надлишок холестерину в організмі виводиться разом з жовчю і калом. У тканинах холестерин відновлюється до дигідрохолестерина, а в товстій кишці – до копростерина. Обидві речовини є ізомерами: перша – транс-, друга – цис-формами. Відновлення холестерину протікає в декілька стадій і захоплює нижні ділянки молекули циклічного спирту:
Фосфатиди. Кінцеві продукти обміну фосфатидів – вуглекислий газ і вода – утворюються при окисленні гліцерину, інозиту, сфінгозина, частково азотистих основ; натрієві і калієві солі фосфорної кислоти, сечовина, сечова кислота, креатинін – є продуктами перетворення азотистих основ.
Гліколіпіди і сульфатиди. Кінцевими продуктами розпаду гліко- і сульфоліпідів є вуглекислий газ, вода і деяка кількість азотистих речовин. Залишок сірчаної кислоти, що входить до складу молекули сульфатида, знешкоджується в печінці і виділяється нирками з сечею у вигляді парних сполук: індикана, фенол- і крезолсірчаних кислот.
Регуляція ліпідного обміну
Процеси обміну ліпідів регулюються нейрогуморальним шляхом. Центральна нервова система впливає на ліпідний обмін безпосередньо або через залози внутрішньої секреції. Відповідні ділянки кори великих півкуль головного мозку через вегетативні нервові волокна регулюють склад травних соків, процеси перетравлювання і всмоктування ліпідів, їх біосинтез і мобілізацію. Так, імпульси, які йдуть по симпатичних нервових волокнах, сприяють розпаду ліпідів у жирових депо, імпульси, які йдуть по парасимпатичних, – їх накопиченню. Пошкодження гіпоталамуса викликає ожиріння.
Центральна нервова система корелює різні гормональні впливи на ліпідний обмін. Окремі гормони сприяють накопиченню організмом ліпідів (наприклад, інсулін сприяє накопиченню жирів, ліпокаїн – фосфатидів), інші стимулюють їх розщеплення. Ці явища використовують для направленої дії на ліпідний обмін.
Інтенсивність і спрямованість ліпідного обміну залежать і від складу раціону. Високий вміст в їжі вуглеводів і жирів сприяє надмірному накопиченню жиру. При недостатній кількості в раціоні метіоніна – джерела метильних груп для холіна, порушується ліпідний обмін і наступає патологічне ожиріння печінки.
Патології ліпідного обміну
Ліпідний обмін порушується при багатьох інфекційних, інвазивних і незаразних хворобах. Часто причиною порушення обміну є неправильно складені раціони. Патологія ліпідного обміну спостерігається при порушенні нейрогуморальної регуляції процесів перетравлювання, всмоктування, біосинтезу і ліполізу ліпідів в цілому і різних груп окремо. Так, при гіпофункціях передньої частини гіпофіза, щитовидної залози, статевих залоз виникають патологічні відкладення жиру. При гіперфункціях щитовидної залози і мозкового шару наднирників відбувається підвищений розпад жирів і різке схуднення організму.
При зниженому синтезі ліполітичних ферментів травними залозами і зменшенні секреції жовчі (фасциолез, гепатити) порушуються процеси перетравлювання і всмоктування ліпідів. Це призводить до виділення неперетравлених ліпідів.
Відсутність у раціоні ліпотропних речовин (холіна і метіоніна) викликає жирове переродження печінки, відсутність жиророзчинних вітамінів зменшує всмоктування, знижує секрецію жовчі, веде до появи дерматитів.
Ліпідний обмін порушується при кетозах. Вони виникають при цукровому діабеті, гепатитах, різних отруєннях. Їх причиною може бути неправильно складений раціон. Так, кетози з'являються при підвищеному маслянокислому бродінні в шлунку і після тривалого голодування. В крові різко зростає вміст кетонових тіл, недоокислених продуктів жирового обміну: ацетооцтової і b-оксимасляної кислот, ацетону. Виникає ацетонемія. При кетозах виникає ацидоз, зменшується вміст глюкози в крові.
Часто зустрічаються порушення обміну холестерину. У хворих виникає надлишок холестерину в крові – гіперхолестеринемія. У внутрішніх органах, особливо в тканинах печінки, спостерігається підвищене відкладення холестерину. Виникає холестериновий цироз печінки. З'являється жовчно-кам'яна хвороба, коли в жовчних ходах і жовчному міхурі відкладається жовчне каміння, що складається на 90 – 99% з холестерину. У ряді випадків на внутрішніх стінках кровоносних судин, особливо артерій, відкладаються частинки холестерину і інших речовин. Це призводить до втрати судинами еластичності, закриттю їх просвіту і виникненню атеросклерозу, а у результаті – до розривів судин, виникненню інфарктів і інсультів, обширних крововиливів.
Іноді спостерігається патологічне відкладення в тканинах центральної нервової системи, селезінки і печінки гангліозидів.
Лекція № 12. Обмін білків.
Обмін білків – центральна ланка всіх біохімічних процесів, які лежать в основі існування живого організму. Інтенсивність обміну білків характеризується балансом азоту, оскільки основна маса азоту організму доводиться на білки. При цьому враховується азот їжі, азот організму і азот продуктів виділення. Баланс азоту може бути позитивним (відбувається надбавка у масі і затримка азоту в організмі), рівним нулю або спостерігатися азотна рівновага (з організму виводиться стільки ж азоту, скільки й поступає) і негативним (розпад білків не компенсується білками їжі). Це слід враховувати при складанні раціонів. Баланс азоту характеризується білковим мінімумом – найменшою кількістю білка в харчовому раціоні, яка необхідна для збереження в організмі азотної рівноваги.
Білки раціону ділять на повноцінні і неповноцінні. Повноцінний білковий раціон містить залишки незамінних амінокислот, які не можуть синтезуватися організмом людини і тварин: валін, ізолейцин, лейцин, лізин, метіонін, треонін, триптофан і фенілаланін. До умовно незамінних амінокислот відносять гістидин (частково синтезується мікрофлорою в харчовому каналі). Решта амінокислот – замінні і можуть синтезуватися в організмах: аланін, аспарагінова і глутамінова кислоти, серин. П'ять амінокислот вважають частково замінними – аргінін, гліцин, тирозин, цистин і цистеїн. Імінокислоти пролін і оксипролін можуть синтезуватися в організмі людини і тварин.
У різних харчових продуктах міститься неоднакова кількість білків, у %: боби гороху – 26; дріжджі – 16; боби сої – 35; зерно пшениці – 13; картопля 2,0 – 5; кукурудза – 9,5; капуста – 1,1 – 1,6; рис – 7,5; морква – 0,8 – 1; буряк – 1,6. Багаті повноцінними білками продукти тваринництва, у %: яловичина – 21,5; баранина – 19,8 – 25; сир – 20 – 36; яйця – 12,6; свинина – 16,5; молоко коров'яче – 3,5; риба – 19 – 20; масло коров'яче – 0,5.
Еталоном повноцінного білка є казеїн, що містить всі незамінні амінокислоти. При складанні раціонів слід враховувати амінокислотний склад білків.
Перетравлювання білків
У харчовому каналі білки піддаються розщепленню до амінокислот, які потім засвоюються організмом.
У ротовій порожнині їжа, що містить білки, механічно подрібнюється, змочується слиною і перетворюється на харчову грудку, яка по стравоходу поступає в шлунок (у жуйних – в передшлунок і сичуг, у птахів – в залозистий і м'язовий шлунки). У складі слини немає ферментів, здатних гідролітично розщеплювати білки корму.
Пережовані харчові маси поступають у шлунок (у жуйних в сичуг), перемішуються і просочуються шлунковим соком.
Шлунковий сік – біологічна рідина, яка синтезується залозами слизової оболонки шлунку. Це безбарвна і злегка опалесціююча речовина r=1,002 – 1,010. У людини протягом доби утворюється близько 2 л, великої рогатої худоби – 30, коней – 20, свиней – 4, собак – до 3 л шлункового соку. Виділення шлункового соку в першій (складно-рефлекторній) фазі визначається видом, запахом і смаком їжі, у другій (нейрогуморальній) – її хімічним складом і механічним роздратуванням рецепторів слизової оболонки. До складу шлункового соку входить 99,5% води і 0,5% нерозчинного залишку. Він включає ферменти – пепсин, ренін, гастриксин, желатиназу, ліпазу; білки – сироваткові альбуміни і глобуліни, мукопротеїни слизу, фактор Касла; з мінеральних речовин – кислоти (в основному соляну) і солі.
Основний фермент шлункового соку – пепсин, а кислотою, яка створює умови для його каталітичної дії, є соляна. В утворенні пепсину беруть участь головні клітини залоз дна шлунку, в утворенні соляної кислоти – обкладочні. Джерелом хлорид-іонів є NaCl, джерелом іонів – H+-протони, що поступають із крові в цитоплазму обкладочних клітин внаслідок окисно-відновних реакцій. Так, гістохімічно встановлено, що обкладочні клітини містять СДГ, яка відщеплює при функціонуванні циклу три карбонових кислот (ЦТК) від янтарної кислоти протони і електрони. Протони проникають у шлунковий сік (рН~1) через мембрани судин стінки шлунку (рН~7) проти градієнта концентрації за рахунок різниці електрохімічного потенціалу. При „секреції” 1 г/екв H+ з плазми крові в шлунковий сік вільна енергія DG змінюється так:
Джерелом хімічної енергії в обкладочних клітинах є реакції ЦТК.
Соляна кислота створює необхідну кислотність для каталітичної дії ферментів. Так, у людини рН шлункового соку рівний 1,5 – 2, великої рогатої худоби – 2,17 – 3,14, коней – 1,2 – 3,1, свиней – 1,1 – 2,0, птахів – 3,8. Соляна кислота створює також умови для перетворення пепсиногена в пепсин, прискорює розщеплення білків на складові частини, їх денатурацію, набухання і розпушування, перешкоджає розвитку в шлунку гнильних і бродильних процесів, стимулює синтез гормонів кишечнику та ін.
У лабораторній практиці визначають загальну, вільну і зв'язану кислотність шлункового соку. Загальна кислотність характеризує суму всіх кислотореагуючих речовин (зв'язаної і вільної соляної кислоти, органічних кислот, фосфорнокислих солей і ін.) і визначається числом мілілітрів 0,1 н, розчину NaOH, що пішов на титрування 100 мл шлункового соку до появи малинового забарвлення індикатора (фенолфталеїна). Вільна кислотність характеризує вміст у шлунковому сокові вільної соляної кислоти. Її прийнято виражати числом мілілітрів 0,1 н. розчину NaOH, що пішов на титрування 100 мл шлункового соку до появи оранжевого забарвлення індикатора (диметиламінобензола). Зв'язана кислотність характеризує кількість зв'язаних з білками кислот (в основному, соляної кислоти).
У шлунках дітей і молодих тварин синтезується проренін, який при значенні рН <5 перетворюється на ренін. Під його впливом казеїноген молока перетворюється на казеїн.
У шлунку відбувається гідролітичне розщеплення більшості білків. Так, нуклеопротеїди під впливом соляної кислоти і пепсину розпадаються на нуклеїнові кислоти і прості білки. Тут же відбувається розщеплення і інших протеїдів. Під впливом ферментів шлункового соку (пепсину, реніну й ін.) прості білки розщеплюються до складових частин. Так, під впливом пепсину розриваються пептидні зв'язки по краях білкових молекул. Найлегше розриваються пептидні зв'язки, утворені ароматичними і дикарбоновими кислотами. Пепсин легко розщеплює білки тваринного походження (казеїн, міоглобін, міоген, міозин) і деякі рослинні білки, побудовані в основному з моноамінодикарбонових кислот (гліадин і глутелін злаків). Пепсин розщеплює більшість білків, за винятком кератинів шерсті, фіброїнів шовку, муцинів слизу, овомукоїдів, деяких білків кісток і хрящів.
Частина білків розщеплюється іншими протеолітичними ферментами шлункового соку, наприклад, колаген – желатиназою, казеїн – реніном.
Під впливом складових частин шлункового соку, перш за все соляної кислоти і ферментів, білки в шлунку гідролізуються до простетичних груп, поліпептидів, олігопептидів, дипептидів і навіть амінокислот.
Шлункова секреція стимулюється гормоноїдами, які синтезуються ендокринними клітинами слизової оболонки харчового каналу: гастрином, ентерогастрином (в кишках), гістаміном (в шлунку та інших органах).
З шлунку кормові маси порціями поступають в дванадцятипалу кишку і решту відділів тонкої кишки, де завершується гідролітичне розщеплення білків. У ньому беруть участь протеолітичні ферменти секрету підшлункової залози і кишкового соку. Ці реакції протікають в нейтральному і слаболужному середовищі (рН = 7 – 8,7). У тонкій кишці гідрокарбонати секрету підшлункової залози і кишкового соку нейтралізують соляну кислоту:
HCl + NaНCO3 ® NaCl + H2СО3
Вугільна кислота під впливом ферменту карбоангідрази розщеплюється до CO2 і H2O. Наявність CO2 сприяє утворенню в химусі стійкої емульсії, що полегшує процеси травлення.
Близько 30% пептидних зв'язків білків розщеплюється ферментом підшлункової залози трипсином. Він виділяється у вигляді неактивного трипсиногена, але під впливом ферменту слизової оболонки кишок, ентерокінази, перетворюється на активний трипсин. Трипсин розщеплює пептидні зв'язки, утворені COOH-групами аргініну і лізину і NН2-группами інших амінокислот.
Майже 50% пептидних зв'язків розщеплюється іншим протеолітичним ферментом підшлункової залози – хімотрипсином. Він виділяється у вигляді неактивного хімотрипсиногена, який під впливом трипсину перетворюється на активний хімотрипсин. Фермент розщеплює пептидні зв'язки, утворені СООН-групами фенілаланіна, тирозина і триптофана і NН2-групами інших амінокислот.
Решта пептидних зв'язків розщеплюється пептидазами кишкового соку і соку підшлункової залози – карбоксипептидазами і амінопептидазами.
У складі соку підшлункової залози є колагеназа (розщеплює колаген) і еластаза (гідролізує еластин). Діяльність травних ферментів активується мікроелементами: Mn2+, Mg2+, Со2+ і ін. Заключний етап перетравлювання білків відображає схема:
Перетравлювання білків відбувається в порожнині кишок і на поверхні слизової оболонки (пристінне травлення). В порожнині кишок відбувається розщеплення білкових молекул, а на поверхні слизової оболонки (і між мікроворсинками) – їх „уламків”: поліпептидів, трипептидів і дипептидів.
Таким чином, під впливом травних соків білки розщеплюються до амінокислот і складових частин – простетичних груп.
Білки і їх похідні, які не розклалися в тонкій кишці у товстій кишці піддаються гнильним процесам. Гниття – багатоступінчастий процес, на різних етапах якого беруть участь різні мікроорганізми: анаеробні і аеробні бактерії роду Bacillus і Pseudomonas, інфузорії та ін. Під впливом бактерійних пептидгідролаз складні білки розщеплюються на протеїни і простетичні групи. Протеїни, у свою чергу, гідролізуються до поліпептидів, дипептидів і амінокислот. Амінокислоти піддаються складним біохімічним перетворенням: дезамінуванню, декарбоксилуванню, внутрішньомолекулярному розщепленню, окисленню, відновленню, метилюванню, деметилюванню і т.д. Виникає ряд отруйних продуктів, які всмоктуються через слизову оболонку кишок у кровоносну і лімфатичну системи і розносяться по всьому організму, отруюючи його органи, тканини і клітини. Частина цих речовин знешкоджується в печінці з утворенням продуктів кінцевого обміну, які виводяться з організму.
Так, у процесі гниття в товстій кишці амінокислоти піддаються декарбоксилуванню, що призводить до утворення отруйних амінів, наприклад трупних отрут – кадаверина і путресцина:
При дезамінуванні (відновному, внутрішньомолекулярному, гідролітичному, окислювальному) утворюється аміак, насичені і ненасичені карбонові кислоти, оксикислоти і кетокислоти:
Бактерійні декарбоксилази можуть викликати подальше розкладання карбонових кислот з утворенням вуглеводнів, альдегідів, спиртів та ін.:
Ці процеси протікають зв'язано і поетапно, що у результаті призводить до виникнення різних продуктів гниття. Так, при гнильному розкладанні циклічних амінокислот утворюються феноли:
При гнильному розкладанні триптофана утворюється скатол і індол:
При гнильному розкладанні цистину і цистеїну утворюються меркаптани, сірководень, метан, вуглекислий газ:
Процеси гниття білків інтенсивно розвиваються при вживанні недоброякісних харчів, порушенні режиму харчування, захворюваннях харчового каналу (атонії шлунку, запорах), інфекційних (паратифі, колібацильозі) і інвазивних (аскаридозі) хворобах. Це негативно позначається на стані здоров'я.
Всмоктування білків
Білки всмоктуються у вигляді амінокислот, низькомолекулярних пептидів (частково) і складових частин простетичних груп. У новонароджених всмоктується частина нерозщеплених білків молозива і молока. Місце всмоктування – мікроворсинки ворсинок епітелію слизової оболонки тонкої кишки. Основна маса продуктів всмоктується в кінці дванадцятипалої, на початку тонкої і клубової кишок. Амінокислоти проникають в клітину через субмікроскопічні канальці мікроворсинок і екзоплазматичну мембрану завдяки процесам дифузії, осмосу, за допомогою білкових переносників проти концентраційного і електрохімічного градієнтів. Перш за все, амінокислота з'єднується з переносником. Це полівалентний іон, який має чотири ділянки для скріплення з нейтральними, кислими і основними амінокислотами, а також з іоном Na+. Пройшовши мембрану, амінокислота відщеплюється від переносника і по ендоплазматичній сітці та пластинчатому комплексу поступово переміщується від апікального краю до базальної ділянки ентероцита (рис. 1).
Рис. 1. Схема транспортування амінокислот через мембрану:
А – амінокислота; П – переносник; ПФ – активований переносник; Ф – фосфорна кислота.
Дослідження, проведені з різними ізольованими клітинами, тканинними препаратами, а також у дослідах in vivo, дозволили припустити, що в перенесенні амінокислот через біологічні мембрани перуть участь не менше п'яти специфічних систем. Кожна з них відповідає за перенесення лише певної групи амінокислот, близьких за будовою і властивостями.
Нещодавно одержано дані щодо активного перенесення амінокислот крізь клітинні мембрани в кишках, нирках і мозку. Механізм цього процесу дістав назву g- глутамілтрансферазного циклу. В ньому беруть участь: один мембранно-зв'язаний фермент і п'ять ферментів цитоплазми, а також глутатіон (g-глутамілцистеїнілгліцин), який міститься в усіх тканинах організму. Головну роль у g-глутамілтрансферазному циклі відіграє мембранно-зв'язаний фермент g-глутамілтрансфераза, яка каталізує реакцію:
g-Глутамілтрансфераза, перебуваючи в клітинній мембрані, здійснює транслокацію амінокислот з позаклітинного простору внаслідок реакції транспептидування залишку g-глутамінової кислоти з глутатіону на транспортовану амінокислоту і перенесення утвореної сполуки g-глутаміламінокислоти в клітину. Сюди ж надходить і цистеїнілгліцин. Слід зазначити, що донорами залишку g-глутамінової кислоти можуть бути й інші глутамілпептиди, а всі амінокислоти, крім проліну, можуть виступати у ролі акцепторів.
На наступному етапі g-глутаміламінокислота за участю ферменту g-глутамілциклотрансферази розщеплюється з утворенням вільної амінокислоти і 5-оксипроліну:
Інша сполука, яка утворюється на першому етапі реакції (цистеїнілгліцин), під впливом ферменту пептидази розщеплюється на цистеїн і гліцин.
У процесі здійснення зазначених вище трьох реакцій відбувається перенесення в клітину однієї молекули амінокислоти, при цьому використовується енергія пептидних зв'язків глутатіону.
Для продовження процесу в клітинах відбувається регенерація глутатіону з використанням енергії АТФ. Спочатку 5-оксипролін за участю ферменту 5-оксипролінази перетворюється на L-глутамінову кислоту:
Далі ця кислота взаємодіє з цистеїном з утворенням дипептиду g-глутамілцистеїну:
Реакцію каталізує g-глутамілцистеїнсинтетаза і, нарешті, g-глутамілцистеїн взаємодіє з гліцином, внаслідок чого утворюється глутатіон. Реакцію каталізує глутатіонсинтетаза:
Глутатіон, що утворився, може вступати в новий цикл і переносити в клітину наступну молекулу амінокислоти.
Ферменти g-глутамілтрансферазного циклу виявлено в ряді тканин, в яких проходить активний транспорт амінокислот. Ключовий фермент циклу – g-глутамілтрансфераза у високих концентраціях наявна в епітелії ворсинок тонкої кишки, нирках та інших органах. Разом з цим слід наголосити, що g-глутамілтрансферазний цикл є, очевидно, лише одним з кількох механізмів, які забезпечують транспорт амінокислот у клітинах. Після всмоктування амінокислоти надходять у кров і по системі ворітної вени потрапляють у печінку.
Швидше всмоктуються аргінін, метіонін, лейцин; повільніше – фенілаланін, цистеїн, тирозин; дуже повільно – аланін, серин і глутамінова кислота.
У процесах всмоктування важливе місце належить натрієвому насосу (додавання до суміші амінокислот хлориду натрію прискорює всмоктування). Хімічну енергію, що витрачається при цьому, забезпечують мітохондрії.
Вважають, що в пересуванні амінокислоти по клітині бере участь білковий переносник. У базальній і латеральній ділянках клітини комплекс переносник + амінокислота розщеплюється. Амінокислота дифундує в міжклітинний простір і поступає в кровоносну або лімфатичну системи ворсинок, а іони Na+ повертаються до поверхні клітини і взаємодіють з новими порціями амінокислот. Ці процеси регулюються нервовою і гуморальною системами. У товстій кишці білки не всмоктуються. Тут всмоктуються продукти їх гниття: фенол, крезол, індол, скатол та ін.
Проміжний обмін
Продукти всмоктування білків через систему ворітної вени поступають у печінку. Амінокислоти, що залишилися в крові після проходження через печінку, з печінкової вени потрапляють у велике коло кровообігу і розносяться до окремих органів, тканин і клітин. Деяка частина амінокислот з міжклітинної рідини поступає в лімфатичну систему – лімфатичні капіляри ворсинок, підепітеліальну і підслизову сітку судин тонкої кишки, брижові вузли, грудну лімфатичну протоку і краніальну порожнисту вену.
Основна маса амінокислот витрачається на біосинтез білків, частина – на біосинтез біологічно активних речовин (небілкових гормонів, пептидів, амінів та ін.), частина, дезамінуючись, використовується як енергетична сировина і матеріал для біосинтезу ліпідів, вуглеводів, нуклеїнових кислот та ін.
Біосинтез білків. Проблема біосинтезу білка є однією з основних проблем біохімії. Вона має важливе теоретичне і практичне значення, тісно пов'язана з найактуальнішими питаннями сучасної біологічної науки: виясненням законів спадковості і мінливості, керуванням ростом і розвитком організмів, розкриттям причин виникнення і розробкою методів профілактики та лікування багатьох спадкових захворювань тощо.
Біосинтез білка протікає у всіх органах, тканинах і клітинах. Найбільша кількість білка синтезується в печінці. Синтез білка здійснюють рибосоми. За хімічною природою рибосоми – нуклеопротеїди, що складаються з РНК (50 – 65%) і білків (35 – 50%). У процесі біосинтезу білка рибосоми здійснюють функції: 1) специфічного скріплення і утримання компонентів білок-синтезуючої системи; 2) каталітичної підстанції (при утворенні пептидного зв'язку і гідролізі ГТФ); 3) транслокатора (при механічному переміщенні і- і тРНК).
Рибосоми утворюються самочинно із заздалегідь синтезованих РНК і білків. Вони є складовими частинами гранулярної ендоплазматичної сітки, яка є своєрідною транспортною системою клітини, де відбувається біосинтез і переміщення синтезованих молекул білка.
Рибосоми в клітині знаходяться у вигляді скупчень від 3 до 100 одиниць – полісом (полірибосом, ергосом). Рибосоми сполучені між собою своєрідною ниткою, видимою під електронним мікроскопом, – іРНК (рис. 2). Кожна рибосома здатна синтезувати самостійно один поліпептидний ланцюг, група – декілька таких ланцюгів і молекулу білка. Прикладом великої полірибосомної системи є полісоми м'язової тканини, які синтезують міозин. Полісома складається з 60 – 100 рибосом і здійснює біосинтез молекули білка, який складається з 1800 амінокислотних залишків.
Рис 2. Схема будови рибосоми:
1 – 30S субодиниця; 2 – 50S субодиниця; 3 – іРНК; 4 – аміноацил-тРНК-фермент
Відомо, що в організмах людини і тварин синтезуються мільйони різних білків. Вони відрізняються один від одного, насамперед, хімічною природою та послідовністю розташування залишків амінокислот у поліпептидних ланцюгах, тобто первинною структурою. Інформація про те, яким повинен бути білок, закладена в ДНК у вигляді певної послідовності нуклеотидних залишків у полінуклеотидному ланцюгу.
Оскільки ДНК знаходиться в ядрі, а біосинтез білка відбувається на рибосомах, то ДНК передає інформацію щодо процесу синтезу білка через іРНК, яка синтезується на певній ділянці (гені) одного з нуклеотидних ланцюгів ДНК.
В основі передачі інформації лежить принцип комплементарності. У синтезованій іРНК послідовність нуклеотидів відповідає послідовності нуклеотидів в одному з полінуклеотидних ланцюгів ДНК. Відмінність полягає лише в тому, що замість тимідинового нуклеотиду в іРНК міститься уридиновий нуклеотид. Процес копіювання даної інформації з ДНК на іРНК називається транскрипцією.
Далі іРНК, діставши інформацію від ДНК, виходить з ядра і переміщується до рибосом. На рибосомах іРНК реалізує цю інформацію в процесі синтезу білка. Іншими словами, на іРНК як на матриці відбувається синтез білка, первинна структура якого визначається інформацією, що іРНК отримала від ДНК. Процес передачі інформації з іРНК, яка закодована в певній послідовності нуклеотидів в її молекулі, на процес розміщення залишків амінокислот у білкових молекулах називається трансляцією.
Отже, передачу інформації від ДНК на синтез білка можна подати схемою:
.
Для синтезу білків використовуються активовані форми амінокислот, які перебувають у зв'язаному стані з відповідними тРНК. Останні переносять їх до місця біосинтезу білка – рибосом. Процес сполучення амінокислот із „своїми” тРНК за участю ферменту аміноацил-тРНК – синтетази називають рекогніцією (від англ. recognice – пізнавати).
Згідно з сучасними уявленнями, біосинтез білків включає ряд складних біохімічних процесів, в яких беруть участь нуклеїнові кислоти, різні ферментні системи, іони металів тощо. Він поділяється на три основні стадії: транскрипцію, рекогніцію і трансляцію. Стадія транскрипції детально описана в темі „ обмін нуклеїнових кислот”, стадії рекогніції і трансляції описані нижче.
Рекогніція. Активація амінокислот відбувається у цитоплазмі за участю високоенергетичної сполуки – АТФ і ферментів – аміноацил-тРНК-синтетаз (аміноацил-синтетаз). Для кожної амінокислоти в клітині є специфічні ферменти, які називаються кодазами. Для виявлення ними максимальної активності необхідні, іони магнію. Дещо меншу активуючу дію мають іони інших двовалентних металів, зокрема марганцю, кобальту і кальцію. Реакцію активації амінокислот схематично можна подати так:
Ця реакція відбувається на поверхні ферменту, що каталізує її, і утворений аміноациладенілат не переходить у розчин, а залишається в комплексі з ферментом. У молекулі аміноациладенілату залишок амінокислоти сполучається з залишком АМФ макроергічним зв'язком, який посилює реакційну здатність амінокислоти.
На наступному етапі комплекс аміноациладенілату з ферментом взаємодіє з тРНК, специфічною для кожної амінокислоти. При цьому аміноацильна група з аміноациладенілату переходить до тРНК з утворенням нового комплексу – аміноацил-тРНК і виділяються АМФ та фермент:
Залишок амінокислоти приєднується до третього атома вуглецю рибози кінцевого нуклеотиду тРНК, макроергічний зв'язок зберігається. Реакцію каталізує той самий фермент, що й реакцію активації амінокислоти – аміноацил-тРНК-синтетаза. У молекулі даного ферменту є дві специфічні ділянки, завдяки яким він здатний „впізнавати”, з однієї сторони, „свою” амінокислоту, а з другої – „свою” тРНК.
Деякі аміноацилсинтетази (наприклад, валінова, лейцинова, ізолейцинова) побудовані з одного поліпептидного ланцюга, інші – з двох, чотирьох і більшої кількості поліпептидних ланцюгів (наприклад, серинова аміноацилсинтетаза складається з двох субодиниць, метіонінова – з чотирьох). Молекулярна маса кожної субодиниці становить 45000. Виявлено аміноацилсинтетази, побудовані з двох і більшої кількості різних субодиниць. Наприклад, гліцинова аміноацилсинтетаза складається з чотирьох субодиниць, дві з яких мають молекулярну масу по 33000, а дві інші – по 80000.
Аміноацилсинтетази виявляють високу специфічність. Для кожної з 20 амінокислот, що входять до складу білків, є своя, і притому лише одна аміноацилсинтетаза. Водночас кожна з них „впізнає” всі тРНК, специфічні для однієї амінокислоти.
Трансляція. Трансляція включає три основні етапи – ініціацію, елонгацію і термінацію.
Ініціація синтезу поліпептидного ланцюга – це утворення ініціюючого комплексу і формування функціонально активної рибосоми. Розміри рибосом характеризують константами седиментації (виражають одиницями Сведберга S). Чим більші розміри мають часточки, тим швидше вони осідають під час ультрацентрифугування і тим вища константа їх седиментації.
Для прокаріот характерні рибосоми, константа седиментації яких становить 70S, а молекулярна маса 3×106. В еукаріотів рибосоми дещо більші. Константа їх седиментації досягає 80S, а молекулярна маса 4,5×106.
Кожна рибосома складається з двох субодиниць – малої і великої. У прокаріот 70S рибосоми побудовані з малої (30S) і великої (50S) субодиниць. Мала субодиниця містить молекулу 16S-PHK і 21 молекулу білків з різною молекулярною масою. 16S-РНК виконує в субодиниці структурну роль, вона необхідна для контакту рибосом з іРНК. Для контакту з іРНК у цій самій субодиниці є зона, в якій розміщена спеціальна акцепторна ділянка (Аср-ділянка) для зв'язування тРНК, яка доставляє активовані амінокислоти.
50S субодиниця містить дві молекули PHK: 23S-РНК, 5S-РНК і 34 молекули різних білків. 23S-РНК виконує структурну роль, а 5S-РНК необхідна для взаємодії субодиниці з тРНК. Отже, iРНК сполучається як з малою, так і з великою субодиницею рибосоми.
На 50S субодиниці рибосоми є дві ділянки – пептидильна, або П-ділянка, і аміноацильна, або А-ділянка; П-ділянка призначена для розміщення поліпептидного ланцюга, що синтезується, а в А-ділянку поступають аміноацил-тРНК.
Рибосоми еукаріот 80S побудовані з малої (40S) і великої (60S) субодиниць. Мала субодиниця містить молекулу 18S-РНК і близько 30 молекул різних білків. До складу великої субодиниці входять молекули 28S-PHK i 5S-РНК, а також близько 50 молекул різних білків. На субодиницях рибосом еукаріот також є система зон і ділянок для контакту і зв'язування iРНК, тРНК та ряду інших компонентів, необхідних для синтезу білка.
За певних умов рибосоми можуть розщеплюватись на субодиниці, тобто дисоціювати, а потім знову сполучатися – асоціювати, що має велике значення в процесі синтезу білка.
Для ініціації синтезу білка крім рибосом і рибонуклеїнових кислот важливим є наявність формілметіоніл-тРНК (тРНКфмет), факторів ініціації (1F-1, 1F-2, 1F-3), ГТФ, іонів магнію тощо.
Формілметіонін утворюється після приєднання метіоніну до тРНК за участю 10-формілтетрагідрофолієвої кислоти і специфічного ферменту – трансформілази. Така тРНК за будовою відрізняється від звичайної метіонінової тРНК. Обидві метіонін-тРНК (формілметіоніл-тРНК і метіоніл-тРНК) „впізнають” на іРНК триплет (кодон) АУГ. Однак даний триплет кодує формілметіонін лише тоді, коли він є початковим (ініціюючим), тобто коли з нього починається синтез поліпептидного ланцюга молекули білка. Якщо даний триплет розміщений не в тому місці іРНК, з якого починається синтез білкової молекули, а далі, всередині полінуклеотидного ланцюга іРНК, то він кодує звичайний метіонін.
Основна роль формільного залишку в метіоніні полягає в тому, що він, зв'язуючи аміногрупу, зумовлює взаємодію карбоксильної групи першої амінокислоти з аміногрупою наступної амінокислоти, тобто відбувається синтез поліпептидного ланцюга в напрямку NH2 ® СООН. Після закінчення синтезу поліпептидного ланцюга від нього може відщеплюватись формільна група або повністю формілметіонін.
Перед початком процесу ініціації рибосома розщеплюється на субодиниці. Ініціація розпочинається з утворення двох комплексів (рис. 3). Перший подвійний комплекс 1F-3-30S утворюється внаслідок взаємодії меншої субодиниці рибосоми 30S з фактором ініціації 1F-3 (І). Другий трикомпонентний 1F-2×ГТФ×тРНКфмет комплекс утворюється внаслідок взаємодії формілметіонін-тРНК з фактором ініціації 1F-2 і ГТФ (ІІ). Далі ці два комплекси сполучаються в один, який має склад 1F-3-30S-1F-2×ГТФ×тРНКфмет (ІІІ). На наступному етапі цей комплекс за участю фактора 1F-1 взаємодіє з іРНК, утворюючи ініціюючий комплекс (IV). Останній взаємодіє з 50S субодиницею рибосоми, що супроводжується вивільненням факторів ініціації і розщепленням ГТФ на ГДФ і H3PO4 (V). За цих умов утворюється функціонально активна 70S рибосома (30S×50S×PHK×тРНКфмет). Механізм ініціації синтезу поліпептидного ланцюга в еукаріот на 80S рибосомах в основному подібний до механізму цього процесу в прокаріот, проте має і специфічні особливості, зокрема число факторів ініціації в еукаріот значно більше, ніж у прокаріот, що, очевидно вказує на їх регулюючу дію.
Елонгація (ріст) поліпептидного ланцюга у момент закінчення ініціації формілметіонін-тРНК розміщена в П-ділянці рибосоми, а А-ділянка вільна і може приймати наступну аміноацил-тРНК.
Перший етап елонгації полягає в доставці аміноацил-тРНК до рибосоми і сполученні її з відповідним кодоном іРНК, розміщеним поряд з початковим (ініціюючим) кодоном АУГ. У цьому процесі беруть участь ГТФ і фактори елонгації EF–Tu, EF–Ts і EF–G (рис. 4). Спочатку перший фактор елонгації взаємодіє з ГТФ і аміноацил-тРНК з утворенням потрійного комплексу EF-Tu×ГТФ×аміноацил-тРНК. Далі цей комплекс доставляється в А-ділянку рибосоми, де й відбувається його дисоціація. Аміноацил-тРНК залишається зв'язаною з рибосомою, а ГТФ гідролізує до ГДФ і відщеплюється від рибосоми у вигляді ГДФ-EF-Tu. Під впливом другого фактора елонгації (EF–Ts) цей комплекс розкладається й обидва фактори знову включаються в доставку наступної молекули аміноацил-тРНК в А-ділянку рибосоми. Джерелом енергії служить нова молекула ГТФ.
На другому етапі елонгації формується пептидний зв'язок в А-ділянці, де розміщується доставлена відповідна аміноацил-тРНК. Сюди з П-ділянки переміщується формілметіонін-тРНК і утворюється перший пептидний зв'язок за рахунок етерифікованої карбоксильної групи формілметіонін-тРНК і аміногрупи, доставленої аміноацил-тРНК. При цьому утворюється пептидил-тРНК:
Процес утворення пептидного зв'язку каталізує фермент пептидил-трансфераза.
Вивільнена тРНК утримується в П-ділянці, а пептидил-тРНК в А-ділянці рибосоми.
На третьому етапі відбувається переміщення (транслокація) пептидил-тРНК з А-ділянки в П-ділянку. Цей процес проходить за рахунок енергії гідролізу другої молекули ГТФ. Реакцію каталізує білковий фактор EF-G, який часто називають рибосомо-залежною гуанозинтрифосфатазою.
Під час транслокації з П-ділянки видаляється вільна тРНК, а іРНК переміщується по рибосомі на довжину одного кодону. За цих умов А-ділянка вивільнюється і може приймати нову амінокислоту з тРНК.
Рис. 3. Схема ініціації білкового синтезу (утворення ініціюючого
комплексу і формування активної рибосоми)
Рис 4. Основні етапи росту пептидного ланцюга
Термінація (закінчення синтезу) поліпептидного ланцюга. Термінація поліпептиду розпочинається при появі певних сигналів, якими є триплети УАА, УАГ, УГА. Ці триплети часто називають беззмістовними, термінаторними або нонсенс-триплетами. У процесі термінації беруть участь фактори RF1 і RF2, які каталізують відщеплення синтезованих поліпептидних ланцюгів від рибосоми. Фактор RF1 реагує на появу УАГ і УАА, фактор RF2 – на УАА і УГА.
В еукаріот термінація проходить за участю лише одного фактора – RF, для дії якого необхідна ГТФ.
Процес термінації відбувається в кілька етапів. Спочатку поліпептидний ланцюг з А-ділянки рибосоми, де утворюється останній пептидний зв'язок, переміщується в П-ділянку. Далі розривається складноефірний зв'язок між С-кінцевою амінокислотою та її тРНК і білок виходить із рибосоми. Комплекс рибосома×іРНК×тРНК розкладається, рибосома дисоціює на субодиниці. Вивільнені рибонуклеїнові кислоти, очевидно, можуть використовуватись у наступних циклах синтезу білка. Даний процес досить складний і повністю ще не вивчений.
Обчислено, що синтез типового білка, побудованого з ~150 – 200 залишків амінокислот на рибосомах, триває 1 – 3 xв. Отже, кожний цикл роботи рибосоми, що забезпечує подовження поліпептидного ланцюга білка на один залишок амінокислоти, триває частки секунди. З'ясування основних етапів синтезу білка є значним досягненням біології на молекулярному рівні. Уже експериментально встановлена генетична роль нуклеїнових кислот, розкрита суть генетичного коду, основаного на молекулярній структурі ДНК, і цим самим конкретизована природа мутацій – основа еволюції і мінливості живих організмів.
У гіалоплазмі з поліпептидних ланцюгів утворюються відповідні прості і складні білки. Формується вторинна, третинна і у ряді випадків четвертна структура білкової молекули.
Оновлення білків в організмі. Білки знаходяться в динамічному стані і піддаються постійним процесам синтезу і розпаду. У ході життєдіяльності білки поступово „зношуються” – руйнуються їх четвертна, третинна, вторинна і первинна структури. Інактивуются білкові функціональні групи і руйнуються зв'язки в білковій молекулі. Виникає необхідність в заміні „зношених білкових молекул” новими.
В залежності, від ступеня пошкодження білкової молекули походить її часткове або повне оновлення. В першому випадку під впливом спеціальних ферментів оновлюються невеликі ділянки поліпептидних ланцюгів або окремі амінокислотні залишки (транспептидація). В другому випадку відбувається повна заміна „зношеної молекули” білка новою. Пошкоджена молекула білка розпадається під впливом тканинних протеаз або катепсинів I, II, III і IV, що локалізуються в лізосомах. Молекула протеїду розпадається на простетичну групу і простий білок, які піддаються звичайним для цих речовин перетворенням.
Швидкість оновлення білків різних органів і тканин неоднакова. Білки організму людини в цілому оновлюються протягом 135 – 155 діб. Білки печінки, підшлункової залози, стінки кишок і плазми крові оновлюються протягом 10 діб, м'язів – 30, колаген – 300 діб. Синтез молекули білка в клітині протікає швидко – протягом 2 – 5 с. За 1 с в тілі людини руйнується близько 3 млн. еритроцитів, а один еритроцит містить близько 280 млн. молекул гемоглобіну. В організмі дорослої людини щодоби синтезується 90 – 100 г білка (1,3 г на 1 кг маси). Ступінь оновлення зменшується при старінні, хворобах і т.д.
Біосинтез пептидів. Частина ендо- і екзогенних амінокислот йде на синтез пептидів.
Глутатіон. Це трипептид, утворений із залишків глутамінової кислоти, цистеїна і гліцина.
Біосинтез протікає в дві стадії. Так, спочатку під впливом ферменту g-глутамілцистеїнсинтетази утворюється дипептид, потім за участю трипептидсинтетази – трипептид глутатіон:
L-Глутамінова кислота + L-цисцеїн + АТФ D g-Глутамілцистеїн + АДФ + Н3РО4;
g-Глутамілцистеїн + Гліцин + АТФ ® Глутатіон + АДФ + Н3РО4.
Глутатіон (G–SH) міститься у всіх тканинах і клітинах. Йому належить ведуча роль в окисно-відновних реакціях. Він є складовою частиною багатьох ферментів, захищає SH-групи білків від окислення (див. ферменти). Входить до складу тканинних катепсинів.
Карнозин і ансерин. Дипептиди м'язової тканини. Карнозин утворюється з гістидина і b-аланіна, ансерин – з 1-метил-гістидина і b-аланіна:
Пептиди синтезуються під впливом специфічних ферментів, за участю АТФ і Mg2+ іонів. Реакції протікають в дві стадії, наприклад синтез карнозина:
b-Аланін + АТФ + Фермент D Фермент-b-аланінаденілат + Пірофосфат;
Фермент-b-аланінаденілат + L-Гістидин D АМФ + Фермент + Карнозин
Біосинтез окремих амінокислот. Замінні амінокислоти синтезуються в тканинах організму. Незамінні амінокислоти поступають в організм у складі їжі і кормів. Умовно замінні амінокислоти синтезуються в тканинах обмежено (аргінін і гістидин) або за наявності попередників (тирозин і цистеїн). Деяка кількість амінокислот синтезується симбіотичною мікрофлорою в харчовому каналі. Синтез і обмін амінокислот – багатоступінчатий процес, що складається з ряду стадій і каталізується багатьма ферментними системами.
Матеріалом для синтезу амінокислот найчастіше є a-кето- і a-оксикислоти, які утворюються в тканинах при проміжному обміні вуглеводів, ліпідів і інших сполук. Джерелом азоту є аміак і амонійні солі, водню – НАД×H2 або НАДФ×H2.
Якщо джерелом амінокислоти є кетокислота, то вона може піддаватися відновному амінуванню, яке протікає в дві стадії: спочатку утворюється імінокислота, потім – амінокислота:
Так утворюється аланін з піровиноградної кислоти.
Щавелевооцтова кислота – джерело утворення аспарагінової і глутамінової кислот:
Частина глутамінової кислоти може синтезуватися з a-кетоглутарової кислоти під дією ферменту L-глутаматдегідрогенази:
Глутамінова кислота використовується тканинами як донор аміногрупи.
Окремі амінокислоти можуть утворюватися з інших амінокислот трансамінуванням під впливом ферментів амінофераз або трансаміназ:
Так утворюється гліцин з серина або треоніна; аланін – з глутамінової і аспарагінової кислот, триптофана або цистеїна; тирозин з фенілаланіна; цистеїн і цистин – з серина або метіоніна; глутамінова кислота – з проліна або аргініна та ін.
Молекулярні механізми специфічності біосинтезу білків. Генетичний код. Як зазначалось вище, синтез білка відбувається на рибосомах ферментативним шляхом відповідно до інформації, закладеної в структурі ДНК. Саме ДНК є матрицею, штампом, у якому запрограмовано відповідну первинну структуру білка, що синтезується. Відомо, що ДНК знаходиться в ядрі клітини, а синтез білка відбувається на рибосомах, тому природно виникає питання, яким шляхом ДНК впливає на специфічність синтезу білка, як саме структура ДНК визначає порядок розташування залишків амінокислот у полінуклеотидному ланцюгу.
Встановлено, що зв'язуючою ланкою між ДНК ядра і рибосомами – місцем біосинтезу білка – є іРНК. Вона передає інформацію від ДНК до рибосом. Цей процес полягає в тому, що на ланцюгу ДНК ядра як на матриці проходить біосинтез іРНК. При цьому іРНК точно копіює послідовність розташування нуклеотидів одного з полінуклеотидних ланцюгів ДНК з тією лише відмінністю, що на місці тимінового нуклеотиду розташовується уридиловий нуклеотид.
Вважають, що на поверхні ДНК, згідно з законом комплементарності, може синтезуватися кілька молекул іРНК. Ділянка, на якій синтезується одна молекула PHK, називається структурним геном, або цистроном.
іРНК, отримавши інформацію від ДНК, у процесі біосинтезу переходить з ядра до рибосом, де бере безпосередню участь у формуванні первинної структури відповідного білка.
Виникає питання, як саме послідовність чотирьох різних нуклеотидів, що становлять структуру нуклеїнових кислот, визначає послідовність розташування 20 залишків амінокислот у білку. Як було розшифровано код білкового синтезу? На перший погляд можливість передачі невеликою кількістю умовних знаків інформації значної кількості можливих комбінацій залишків амінокислот у білкових молекулах може здатись сумнівною. Однак незаперечним є той факт, що всього 32 букви алфавіту передають всю красу і багатство нашої мови, і ці 32 букви можуть бути закодовані азбукою Морзе – комбінацією лише двох знаків – крапки і тире.
Використовуючи чотирьохбуквений алфавіт азотистих основ, можна скласти 4 однобуквених слова – сиглетний код, 16 двобуквених (4 ´ 4 = 16) – дуплетний код або 64 трибуквених слова (4 ´ 4 ´ 4 = 64) – триплетний код. Для 20 амінокислот шістнадцяти двобуквених слів мало, а 64 трибуквених достатньо. У 1954 р. було запропоновано кодове слово з трьох азотистих основ – триплетний код. Однак необхідно було вивчити, які нуклеотиди і в якому порядку у молекулі ДНК (іРНК) відповідають різним амінокислотам. Ці дослідження провели M. Шренберг і Г. Корана, за що були удостоєні Нобелівської премії.
Вчені добули синтетичний PHK-полімер – поліуридилову кислоту. При добавлянні її в систему, де проходив синтез білка, відбувався синтез поліфенілаланіну, а інші 19 амінокислот не включалися в полінуклеотидний ланцюг. Отже, було доведено, що три уридилових залишки (УУУ) кодують включення в поліпептидний ланцюг молекули білка амінокислоти фенілаланіну. Згодом було вияснено склад кодонів для інших амінокислот. Так, кодон ГГГ у структурі нуклеїнової кислоти забезпечує включення в поліпептидний ланцюг глутамінової кислоти, AAA – лізину, ЦЦЦ – проліну тощо (табл. 1).
|
Перший нуклео-тид |
Другий нуклеотид |
Третій нуклео-тид |
|||||||||||
|
У |
Ц |
А |
Г |
||||||||||
|
У |
УУУ УУЦ |
Фен |
УЦУ УЦЦ УЦА УЦГ |
Сер |
УАУ УАЦ |
Тир |
УГУ УГЦ |
Цис |
У Ц А Г |
||||
|
УУА УУГ |
Лей |
УАА* УАГ* |
Терм |
УГА* УГГ* |
Терм Три |
||||||||
|
Ц |
ЦУУ ЦУЦ ЦУА ЦУГ |
Лей |
ЦЦУ ЦЦЦ ЦЦА ЦЦГ |
Про |
ЦАУ ЦАЦ ЦАА ЦАГ |
Гіс |
ЦГУ ЦГЦ ЦГА ЦГГ |
Арг |
У Ц А Г |
||||
|
А |
АУУ АУЦ АУА |
Ілей |
АЦУ АЦЦ АЦА АЦГ |
Тре |
ААУ ААЦ |
Асн |
АГУ АГЦ |
Сер |
У Ц А Г |
||||
|
ААА ААГ |
Ліз |
АГА АГГ |
Арг |
||||||||||
|
АУГ |
– |
Мет |
|||||||||||
|
Г |
ГУУ ГУЦ ГУА ГУГ |
Вал |
ГЦУ ГЦЦ ГЦА ГЦГ |
Ала |
ГАУ ГАЦ |
Асп |
ГГУ ГГЦ ГГА ГГГ |
Глі |
У Ц А Г |
||||
|
ГАА ГАГ |
Глу |
Таблиця 1. Генетичний код
Наведені в таблиці дані свідчать, що амінокислоти мають по кілька кодонів. Слід наголосити, що з 64 кодонів 61 визначає послідовність розміщення залишків амінокислот у поліпептидному ланцюгу, при цьому кодони ГУГ (валіновий), АУГ (метіоніновий) є також ініціюючими, стартовими кодонами. Три інших кодони – УАГ, УАА, УГА – називають беззмістовними, вони виконують функцію сигналів про закінчення синтезу поліпептидного ланцюга. В таблиці вони позначені зірками.
Аналізуючи таблицю генетичного коду, можна помітити, що перші два нуклеотиди в кодоні важливіші, ніж третій. Деякі дослідники вважають, що заміна третього нуклеотиду в значній частині кодонів не впливає на їх здатність кодувати відповідну амінокислоту. Наприклад, кодування аланіну здійснюється кодонами ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА, ГЦГ, які відрізняються між собою третім нуклеотидом.
У зв'язку з високою специфічністю перших двох нуклеотидів у кодоні, Ф. Крік у 1965 р. запропонував теорію неоднозначної відповідності, що в точному перекладі означає коливання. З неї випливає, що головне значення при „впізнаванні” кодона антикодоном на рибосомі мають перші два нуклеотиди. Вони повністю підпорядковані комплементарному принципу взаємодії азотистих основ. Третій нуклеотид кодона може вступати у взаємодію більш ніж з одним типом нуклеотидів антикодона. Це сприяє підвищенню стійкості генетичної інформації при пошкодженні ДНК.
Особливості генетичного коду. Насамперед, слід зазначити, що код, очевидно, є універсальним. Він однаковий для всіх організмів – бактерій, рослин і тварин. Правда, одні організми віддають перевагу одним триплетам, другі – іншим. Універсальність коду свідчить про те, що він з'явився на ранніх етапах розвитку живих систем і, очевидно, мало змінюється в ході еволюції.
Іншою характерною особливістю коду є його виродженість, оскільки два і більше триплетів можуть кодувати одну амінокислоту. Хоча код і вироджений, однак він не є неоднозначним. Жоден кодон, крім ініціюючих ГУГ і АГУ, не кодує більше ніж одну амінокислоту.
У більшості випадків виродженість коду зумовлює наявність декількох тРНК для однієї амінокислоти, які відрізняються між собою антикодонами.
Особливістю коду є те, що він не перекривається, тобто нуклеотиди, які входять до складу триплету, не беруть участі в формуванні наступних триплетів. Після зчитування інформації з одного триплету механізм зчитування переміщується відразу на всі три нуклеотиди.
Характерною особливістю коду є його неперервність. Кожний триплет, який кодує відповідну амінокислоту, перебуває поряд з іншим триплетом без проміжних розділяючих ділянок (факторів).
Досить важливою особливістю коду є його однонапрямленість. Кодони під час синтезу білка транслюються в одному напрямку, починаючи з першої нуклеотидної основи. Перша азотиста основа знаходиться біля 5'-нуклеотидного кінця, а остання – біля 3'-кінця, тобто зчитування інформації проходить у напрямку 5' ® 3'.
Слід зазначити також, що протягом останніх років з'явились дані, які свідчать про окремі відхилення від загальноприйнятих особливостей генетичного коду. Так, Б. Берел із співробітниками, вивчаючи нуклеотидну послідовність ДНК мітохондрій людини, встановили, що в цілому в них генетичний код подібний до встановленого раніше. Разом з тим виявлено, що чотири кодони змінили свій зміст. Кодон УГА відповідає триптофану, кодон АУА – метіоніну, а кодони – АГА і АГГ стали термінуючими. В мітохондріях дріжджів всі чотири лейцинових кодони, які починаються з ЦУ, перейшли до треоніну. Отже, у лейцину залишилось лише два кодони, а у треоніну їх стало шість. В одній клітині, зокрема організму людини, виявлено існування двох різних кодів. Ці дані, очевидно, є доказом того, що код зазнав певних, незначних еволюційних змін, і універсальність коду має свої нюанси.
Потребує певних корективів і особливість коду, що він не перекривається. В дослідах з вірусами і деякими бактеріями встановлено, що одна і та сама ділянка ДНК може кодувати кілька різних білків за принципом зміщення рамки зчитування. Так, якщо взяти будь-який код з певною послідовністю нуклеотидів, наприклад ТАГАТГЦГЦА, то при зчитуванні його з першої букви дістанемо триплети ТАГ, АТГ, ЦГЦ, а при зчитуванні з другої букви – зовсім інші триплети: АГА, ТГЦ, ГЦА і т. д. Разом з цим встановлено, що для окремих білків частина послідовностей нуклеотидів спільна. Наприклад, якщо для одного білка дана послідовність нуклеотидів закінчується, то для іншого вона може продовжуватися. Одержані дані свідчать про те, що транскрипція генетичного коду підпорядкована певним контрольним механізмам, які забезпечують вибір певного правильного коду.
Встановлено ряд нових фактів, які підтверджують, що в генах еукаріот є некодуючі ділянки. Іншими словами, гени вищих організмів не неперервні, а побудовані з окремих частин, розділених іншими послідовностями нуклеотидів. Проміжки між цими частинами бувають різними – від 10 до 20 000 пар нуклеотидів.
Генна інженерія і біосинтез білка. Генна інженерія відкриває нову еру в біології. Це пояснюється насамперед тим, що з'явилися нові можливості для проникнення в глибину біологічних явищ з метою повнішої характеристики форм існування живої матерії, ефективнішого вивчення структури і функцій генів на молекулярному рівні для розуміння тонких механізмів роботи генетичного апарата. Разом з цим генна інженерія забезпечує моделювання на молекулярному рівні мутацій і рекомбінацій – основних генетичних процесів, факторів еволюції.
Успішне проведення досліджень у галузі генної інженерії має крім теоретичного важливе практичне значення. Генна інженерія створює основи для пізнання способів та шляхів „конструювання” нових або направленої зміни існуючих організмів, сприяє позитивному розв'язуванню проблеми направленого біосинтезу важливих для організму сполук, зокрема білків. Суть цього процесу полягає в тому, що за допомогою певних методів (синтез на іРНК за участю ревертази, звичайний хімічний синтез) добувають ген, який визначає синтез відповідного білка. Далі такий ген вбудовується у відповідну систему, яка дає йому можливість швидко розмножуватися. Такою системою, яку часто називають вектором, служать плазміди – автономні структури, що несуть свою інформацію у вигляді невеликої циклічної молекули ДНК. Вони виявлені в клітинах бактерій разом з бактеріальною хромосомою. Крім плазмід можна використовувати також інші системи – віруси, фаги і т.д.
Плазміди, що містять вбудований ген (рекомбінантні ДНК), вводять у клітини бактерій, які завдяки цьому набувають здатності синтезувати нові для них речовини. Це основний принцип генної інженерії, мета якої – добування білків людини, тварин і рослин, які особливо необхідні в практичній діяльності, наприклад у медицині. До таких важливих білків належить, наприклад, гормон інсулін. Нестача інсуліну в організмі людини призводить до тяжкого і досить поширеного захворювання – діабету. Для його лікування використовують інсулін тваринного походження, добутий з підшлункової залози великої рогатої худоби або свиней.
Однак останнім часом з'ясовано, що для частини людей він не ефективний або ж викликає сильну алергію. Це пояснюється тим, що інсулін людського і тваринного організмів характеризується певною структурною відмінністю. Отже, виникла потреба у виробництві інсуліну людини. Добувати його синтетично економічно невигідно.
Генна інженерія дала рентабельніший шлях синтезу інсуліну. Добуто штами бактерій з рекомбінантними ДНК, які виробляють проінсулін людини, з якого далі легко добути інсулін.
Другим важливим здобутком генної інженерії є інтерферон – універсальний противірусний препарат. Основою його є білок, який виробляється клітинами організму для боротьби з вірусною інфекцією. Вивчення властивостей інтерферону показало, що він виявляє високу видову специфічність. Тому для лікування людей можна використовувати інтерферон лише людини.
Інтерферон добувають в основному із лейкоцитів донорської крові. Однак такий шлях добування інтерферону досить дорогий і, крім того, не здатний повністю забезпечити потребу в ньому. Тому інтенсивно ведуться роботи по розробці нових методів добування інтерферону, зокрема шляхом генної інженерії. В цьому плані програма добування штаму – продуцента інтерферону – успішно завершена, що дало змогу виробляти препарат у достатніх кількостях. Крім того, методом генної інженерії добуто ще один важливий білок – соматотропін. Це гормон росту людини, до складу якого входить 191 залишок амінокислот. Соматотропін застосовують для лікування карликовості, при переломах кісток, опіках та при інших захворюваннях.
Отже, генна інженерія відкриває нову технологію (біотехнологію) синтезу важливих для організмів людини і тварин речовин, зокрема білків. Це дає можливість значно знизити вартість і розширити асортимент виробництва гормонів, ферментів та інших білкових препаратів, які використовуються в медицині та сільському господарстві.
Регуляція синтезу білка. Необхідною умовою існування живих систем, забезпечення їх життєдіяльності є наявність узгодженої системи регулювання найважливіших процесів, які протікають в них. Це, насамперед, стосується синтезу білка, оскільки оптимальне співвідношення між кількістю і якістю різних білків відіграє важливу роль у забезпеченні ряду життєво важливих процесів як для одноклітинних, так і для багатоклітинних організмів. За участю білків-ферментів здійснюється регуляція обміну речовин, адаптація організмів до зміни умов зовнішнього і внутрішнього середовищ, процеси онтогенезу та диференціації клітин, органів і систем. Тому досить важливим є здійснення контролю за синтезом саме тих білків-ферментів, які необхідні клітині за даних умов залежно від функцій, які вона повинна виконувати. В зв'язку з цим у процесі тривалого еволюційного розвитку живих організмів, незалежно від ступеня їх організації, сформувався досить складний, узгоджений механізм регуляції синтезу білка, який забезпечує сталі якісний та кількісний склад білків, необхідний для виконання певних фізіологічних функцій.
З'ясування суті механізму регуляції синтезу білка є досить складною проблемою, яка ще не повністю розв'язана. Над вирішенням цієї проблеми протягом кількох десятиріч працювала велика група різних дослідників-генетиків, біохіміків, молекулярних біологів. Логічним розвитком даних досліджень стала концепція регуляції синтезу білка, розроблена в 1961 р. лауреатами Нобелівської премії французькими вченими Ф. Жакобо і Ж. Моно. Ґрунтується вона на спостереженнях за індукцією і репресією утворення ферментів у клітинах бактерій E. соlі.
Дослідженнями виявлено збільшення концентрації деяких ферментів бактерій при добавлянні в середовище субстратів, на які вони діють, і зниження концентрації ферментів при наявності кінцевих продуктів реакцій, що каталізуються даними ферментами. Отже, між цими процесами встановлено тісний взаємозв'язок.
Концепція Ф. Жакобо і Ж. Моно, сформульована в дослідах на прокаріотах, дістала широке визнання і вважається загальноприйнятою. Згідно з цією концепцією, регуляція синтезу білка здійснюється на рівні ДНК, молекула якої складається з певних функціональних ділянок – генів, згрупованих залежно від функцій, які вони виконують. Одна група таких функціональних ділянок названа структурними генами, або цистронами, вони містять інформацію про синтез певних поліпептидних ланцюгів білка, на них відбувається синтез молекул іРНК, яка далі надходить до рибосом, де виконує роль матриці в процесі синтезу білка. Початок синтезу іРНК – зчитування генетичної інформації – розпочинається з функціональної ділянки ДНК, яка має назву промотора і є точкою ініціації її синтезу.
Іншу групу функціональних ділянок ДНК становлять регуляторні гени, які регулюють активність структурних генів шляхом їх „включення” та „виключення”. Регуляторні гени представлені геном-оператором, що знаходиться безпосередньо біля групи структурних генів, і геном-регулятором, що знаходиться від них на деякій відстані.
Ген-оператор є ніби пусковим механізмом, який, залежно від умов, дозволяє або гальмує синтез іРНК на структурних генах ДНК. Вважають, що ген-оператор локалізований на крайньому відрізку цистронів і є, очевидно, вихідним пунктом дії ДНК-залежної РНК-полімерази.
Гени-оператори разом з групами структурних генів утворюють групи узгоджено діючих блоків – оперонів, кожен з яких відповідає за взаємозв'язаний синтез ряду специфічних білків, тобто оперон є одиницею транскрипції. Якщо ген-оператор не діє, то весь оперон стає бездіяльним – гальмується синтез іРНК, а отже, і білків, ферментів. Діяльність гена-оператора регулюється геном-регулятором. Оскільки ген-регулятор і структурні гени оперона розташовані на різних ділянках ДНК, то зв'язок між ними забезпечують речовини-посередники – білки-репресори, що утворюються в рибосомах на матриці специфічної мРHK, яка синтезується на гені-регуляторі.
Свою назву білок-репресор дістав завдяки тому, що його дія на ген-оператор гальмує (репресує) діяльність останнього, внаслідок чого припиняється функціонування всієї групи структурних генів. Білки-репресори виявляють спорідненість до гена-оператора і здатність до зворотного зв'язування з ним. Крім того, білок-репресор здатний до специфічного зв'язування з певними низькомолекулярними речовинами, так званими індукторами, або ефекторами.
За звичайних фізіологічних умов репресори можуть перебувати в активному або пасивному стані. Перехід з одного стану в інший регулюється продуктами внутрішньоклітинного обміну або речовинами, що надходять із зовнішнього середовища.
Залежно від стану білка-репресора розрізняють індуцибельну і репресибельну системи генної регуляції синтезу білка.
При індуцибельній системі регуляції білок-репресор, що утворюється на гені-регуляторі, перебуває в активному стані. Його вплив на ген-оператор призводить до блокування діяльності оперона і припинення синтезу іРНК і певних білків-ферментів. Синтез їх може відновлюватися лише тоді, коли в клітині з'являються продукти, для утилізації яких необхідні дані ферменти. Білок-репресор, сполучаючись з цими продуктами (індукторами), втрачає здатність контролювати ген-оператор, внаслідок чого відновлюється синтез іРНК.
Вважають, що індуктор, сполучаючись з білком-репресором, зумовлює зміну його третинної структури, внаслідок чого останній втрачає здатність до зв'язування з субстратом – геном-регулятором. Разом з тим оператор, який виходить з-під контролю гена-регулятора, набуває активності і приводить у дію блок структурних генів, на яких здійснюється синтез іРНК, необхідних для утворення певних ферментів. Оскільки дані ферменти спрямовані на утилізацію Індуктора, білок-репресор буде пасивним доти, поки під впливом ферментів не відбудеться повне розщеплення індуктора. Після цього білок-репресор вивільнюється, переходить в активний стан і блокує оперон, внаслідок чого синтез іРНК, що кодує первинну структуру даних ферментів, припиняється.
Крім індукції генів у клітинах відбувається їх репресія. Особливо часто цей процес спостерігається при процесах синтезу, коли концентрація багатьох ферментів значно знижується при збільшенні концентрації кінцевих продуктів реакцій, що каталізуються даними ферментами. При репресибельній системі регуляції синтезу білка білок-репресор, що синтезується на рибосомах клітини, перебуває в пасивному стані і не може пригнічувати діяльність гена-оператора, а отже, і не контролює діяльність оперона, на якому проходить синтез іРНК. Активація білка-репресора, блокування оперона і припинення синтезу іРНК відбуваються під впливом корепресора, який утворює комплекс з опероном. Корепресорами є кінцеві продукти реакції синтезу, або один з цих продуктів. Є дані, що корепресором у процесі синтезу ферментів обміну амінокислот може бути не вільна амінокислота, як кінцевий продукт реакції біосинтезу, а її комплекс з тРНК (аміноацил-тРНК).
Блокування гена-оператора припиняється тоді, коли вичерпується весь корепресор. Внаслідок цього за відсутності активатора (корепресора) білок-репресор переходить у свій звичайний пасивний стан, вивільнює ген-оператор і групу структурних генів, на яких відновлюється синтез білків-ферментів.
Як зазначалось раніше, концепція Ф. Жакобо і Ж. Моно відносно регуляції синтезу білка стосується нижчих організмів – прокаріот. Механізм регуляції цих процесів у клітинах високоорганізованих організмів – еукаріот – значно складніший. Певний внесок, у розв'язання цієї проблеми зробив Г.П. Георгієв. Згідно з його гіпотезою, в клітинах вищих організмів гени також згруповані в оперони, однак їхній склад не такий простий, як у мікроорганізмів. Основна відмінність полягає в тому, що оперон має ряд генів-операторів і кожен з них реагує з іншим білком-репресором. Блокування будь-якого гена-оператора перешкоджає просуванню ферменту ДНК-залежної PHK-полімерази. Як результат цього синтез іРНК на структурних генах сповільнюється або припиняється зовсім.
Із-за наявності кількох генів-операторів на активність оперона впливає кілька різних факторів. Наприклад, один ген-оператор може блокуватися з підвищенням концентрації певного гормона, інший – з нагромадженням у клітині певного продукту обміну і т.д. Крім цього, один і той самий ген-оператор входить до складу різних оперонів. Тому ці оперони реагують на один і той самий фактор. Це свідчить про те, що будь-який один фактор може регулювати відразу кілька оперонів, а активність одного оперона може залежати від кількох різних факторів. Це створює досить точну і разом з тим гнучку систему саморегуляції.
Слід зазначити, що ряд питань, які стосуються механізмів, що зумовлюють специфічність біосинтезу білків, а також регуляції синтезу білків, вивчено ще недостатньо.
Перетворення амінокислот. В основі перетворення амінокислот лежать три основні види реакцій: реакції за аміногрупою, за карбоксильною групою і за радикалом амінокислоти. Перші два види реакцій однотипні для всіх L-амінокислот. Реакції амінокислот за радикалом досить різноманітні ї специфічні майже для кожної амінокислоти.
Перетворення амінокислоти за аміногрупою. До таких реакцій належать два основні види перетворення амінокислот: дезамінування і переамінування.
Дезамінування – процес відщеплення аміногрупи від амінокислоти з утворенням молекули аміаку. Відомо чотири види дезамінування: окислювальне, відновне, гідролітичне і внутрішньомолекулярне. Під час окислювального дезамінування амінокислоти перетворюються на кетокислоти. Під час відновного дезамінування амінокислоти перетворюються на насичені жирні кислоти. Гідролітичне дезамінування пов'язане з перетворенням амінокислот на оксикислоти. Внутрішньомолекулярне дезамінування характеризується перетворенням амінокислот на ненасичені жирні кислоти (див. розклад білків).
Зазначені вище реакції каталізують специфічні ферменти. Найбільш поширеним в організмах людини і тварин є окислювальне дезамінування. Розглянемо його механізм на прикладі глутамінової кислоти. Спочатку амінокислота при каталітичній дії глутаматдегідрогенази, коферментом якої є НАД+ або НАДФ+ (для дегідрогеназ інших амінокислот коферментом є ФМН), окислюється до іміноглутарової кислоти:
Далі іміноглутарова кислота спонтанно, без участі ферменту гідролізує з утворенням a-кетоглутарової кислоти й аміаку:
Слід зазначити, що обидві реакції оборотні. Це свідчить про те, що з a-кетоглутарової кислоти може утворюватись глутамінова кислота. Іншим видом перетворення амінокислот за аміногрупою є переамінування (трансамінування) амінокислот. Цей процес перетворення амінокислот дослідили радянські біохіміки O.Є. Браунштейн і M.Г. Кріцман у 1937 р. Вони експериментально встановили, що під час взаємодії глутамінової і піровиноградної кислот можуть утворюватись a-кетоглутарова кислота та аланін без проміжного утворення аміаку. Ці дані наштовхнули вчених на думку, що аміногрупа з амінокислоти за допомогою ферментативних систем може переноситись на кетокислоти. При цьому амінокислота перетворюється на кетокислоту, а кетокислота – в амінокислоту:
Дослідження механізму переамінування показало, що в цьому процесі беруть участь ферменти амінотрансферази, коферментом яких є фосфорний ефір вітаміну B3 (піридоксальфосфат). Під час реакції піридоксальфосфат приєднує аміногрупу амінокислоти і перетворюється на фосфопіридоксамін, після чого віддає аміногрупу кетокислоті і знову перетворюється на піридоксальфосфат. Розглянемо механізм процесу переамінування на прикладі взаємодії глутамінової і піровиноградної кислот. Для зручності піридоксальфермент позначимо:
На першій стадії відбувається взаємодія глутамінової кислоти з піридоксальферментом, в результаті чого утворюється фермент-субстратний комплекс. Далі відбувається таутомерне перегрупування комплексу, пов'язане з переміщенням атома водню від залишку глутамінової кислоти до піридоксалю, внаслідок чого подвійний зв'язок також переміщується і виникає між атомами азоту і вуглецю глутамінової кислоти:
Після таутомерного перегрупування відбувається гідролітичне розщеплення фермент-субстратного комплексу з утворенням a-кетоглутарової кислоти і піридоксамін-ферменту:
Піридоксамін-фермент, що утворився, взаємодіє з піровиноградною кислотою з утворенням іншого фермент-субстратного комплексу:
У цьому комплексі знову відбувається перегрупування:
Далі відбувається гідроліз комплексу з утворенням амінокислоти (аланіну) і виділенням піридоксаль-ферменту:
Отже, у процесі переамінування амінокислота (глутамінова) перетворилась на кетокислоту (a-кетоглутарову), а кетокислота (піровиноградна) – на амінокислоту (аланін). Переамінування амінокислот відбувається у різних органах і тканинах. Воно відіграє важливу роль у процесах синтезу необхідних для організму амінокислот. Кетокислоти, що утворюються внаслідок переамінування, можуть використовуватись для синтезу ліпідів, вуглеводів та інших речовин.
Слід зазначити, що між переамінуванням і окислювальним дезамінуванням існує певний зв'язок. Він полягає в існуванні непрямого дезамінування, тобто в перенесенні аміногрупи a-амінокислоти на a-кетоглутарову кислоту шляхом трансамінування. При цьому a-амінокислота перетворюється на кетокислоту, а глутамінова кислота піддається дезамінуванню з утворенням a-кетоглутарової кислоти й аміаку:
Зазначені реакції свідчать про те, що дезамінування вихідної амінокислоти відбувається не безпосередньо, а через трансамінування за участю a-кетоглутарової кислоти як акцептора аміногрупи.
Перетворення амінокислот за карбоксильною групою. До таких реакцій належать реакції декарбоксилування амінокислот з утворенням аміноациладенілатів.
Процес декарбоксилування амінокислот досить поширений як у тваринних, так і в рослинних організмах. Він пов'язаний з відщепленням від молекули амінокислоти CO2 за рахунок карбоксильної групи, в результаті чого утворюються відповідні аміни.
Реакції декарбоксилування каталізують ферменти декарбоксилази. У вигляді коферменту в їх складі виступає піридоксальфосфат. Винятком є декарбоксилаза гістидину.
Аміни, що утворюються в процесі декарбоксилування, мають високу біологічну активність, тому їх називають також біогенними амінами. Наприклад, під час декарбоксилування глутамінової кислоти утворюється g-аміномасляна кислота:
Ця амінокислота відіграє важливу роль у функціональній діяльності центральної нервової системи.
Іншим прикладом є декарбоксилування гістидину з утворенням гістаміну:
Гістамін здатний розширювати судини, знижувати кров'яний тиск, а також активізувати діяльність залоз внутрішньої секреції.
Слід зазначити, що аміни виявляють фізіологічну дію при досить малих концентраціях.
Нагромадження їх в організмі може викликати порушення ряду біохімічних процесів. Щоб запобігти цьому, в тканинах є активна амінооксидаза, яка каталізує процеси окислення амінів до альдегідів і кислот, частина яких виводиться з організму з сечею, а інша частина піддається перетворенням.
Процеси декарбоксилування більш характерні для мікроорганізмів і протікають дещо обмежено в організмах людини і тварин.
Іншою характерною реакцією амінокислот за карбоксильною групою є утворення аміноациладенілатів.
Реакція відбувається за участи специфічного ферменту і АТФ:
Утворення аміноациладенілатів має важливе значення для активації амінокислот, які включаються в процес біосинтезу білка.
Перетворення амінокислот за радикалами. Для амінокислот, крім реакцій за аміно- та карбоксильною групами, властиві хімічні перетворення, пов'язані з реакціями за радикалом.
Характерною особливістю радикалів амінокислот є те, що вони містять різні функціональні групи, рухомі атоми водню тощо. Цим зумовлена активна участь їх в багатьох хімічних реакціях, частина з яких приводить до утворення ряду замінних амінокислот в організмі.
Для прикладу розглянемо реакції окислення окремих амінокислот. Так, під час окислення радикала амінокислоти фенілаланіну утворюється амінокислота тирозин:
Реакцію каталізує фермент фенілаланін-гідроксилаза.
Активну участь в окисно-відновних процесах беруть радикали сірковмісних амінокислот – цистеїну і цистину. Наприклад, під час окислення двох молекул цистеїну утворюється молекула амінокислоти цистину:
Реакція відбувається за участю ферменту цистеїнредуктази, коферментом якої є НАД+.
При повному окисленні сульфгідрильної групи цистеїну утворюється цистеїнова кислота, яка під час декарбоксилування перетворюється на таурин:
Важливе значення для організму мають реакції трансметилування, які здійснюються за участю АТФ. У цих процесах універсальним донором метальної групи є амінокислота метіонін. Спочатку метіонін взаємодіє з АТФ, внаслідок чого утворюється S-аденозилметіонін – активна форма метіоніну:
Цю реакцію каталізує фермент S-аденозилметіонінсинтетаза. Далі метильна група за участю S-метиладенозилметіоніну переноситься на сполуку, яка піддається метилюванню, наприклад на диметиламіноетанол. При цьому утворюється холін і S-аденозилгомоцистеїн. Реакція каталізується метилтрансферазою:
Іншим прикладом перетворення амінокислот за радикалом може бути гідролітичне розщеплення аргініну за участю ферменту аргінази. При цьому утворюється амінокислота орнітин і сечовина:
Слід підкреслити що радикалу кожної амінокислоти властиві певні хімічні перетворення.
Обмін окремих амінокислот має індивідуальні особливості.
Гліцин. Бере участь у ряді найважливіших реакцій біосинтезу. Так, з нього утворюються:
У тканинах печінки гліцин бере участь в процесах знешкодження отруйних сполук – бензойної, фенілоцтової кислот і фенолів, утворює парні сполуки, які виводяться з сечею з організму.
Аланін. Утворюється трансамінуванням піровиноградної кислоти (див. вище). Існує у вигляді a- і b-форм. Бере участь у біосинтезі:
Аспарагінова кислота. Утворюється трансамінуванням щавелевооцтової кислоти (див. вище). Разом з глутаміновою кислотою забезпечує взаємозв'язок між обміном білків, вуглеводів і ліпідів. Служить донатором аміногруп в реакціях трансамінування. Основні реакції відображає схема:
Глутамінова кислота. Міститься в тканинах у складі білків, у вільному стані і у вигляді аміда. Донатор аміногрупи в реакціях трансамінування. Основні речовини, в синтезі яких бере участь кислота:
Серин і треонін. Їх обмін тісно пов'язаний з обміном гліцина. Серин у тканинах утворюється з 3-фосфогліцеринової кислоти. З серина утворюється гліцин у результаті перенесення одновуглецевого фрагмента (C1) на тетрагідрофолієву кислоту (ТГФК). Гліцин може утворюватися з треоніна. Фрагмент C1 використовується для синтезу гістидина і пуринів. З серина і треоніна утворюється піровиноградна кислота, яка за допомогою ацетил-КоА включається в ЦТК. Частину перетворень відображає схема:
Гідроксильна група серина входить до складу активного центру багатьох ферментів: трипсину, хімотрипсину, естераз, фосфорилаз, фосфатаз.
Метіонін. Є складовою частиною багатьох білків. Служить донатором метильної групи для утворення в організмі багатьох важливих сполук. Передача метильної групи в процесі переметилування відбувається під впливом відповідних метилтрансфераз через S-аденозилметіонін:
Попередником метіоніна є аспарагінова кислота, яка під впливом ряду ферментів через декілька стадій (гомосерин, О-сукциніл-гомосерин, цистеїн, цистатіонін, гомоцистеїн) перетворюється в метіонін.
Цистеїн і цистин. Складові частини багатьох білків, пептидів, гормонів і інших сполук. SH-група цистеїну – складова частина активних центрів ряду ферментів. Участь цистеїну в обміні речовин частково відображає схема:
Аргінін і орнітин. Аргінін утворюється в процесі перетворення вуглекислого газу і аміаку в сечовину. Обидві амінокислоти беруть участь в утворенні ряду життєво важливих речовин:
Лізин. Найважливіша амінокислота. Бере участь у синтезі багатьох речовин:
S-Аміногрупа залишку лізину бере участь у формуванні зв'язку між апо- і коферментами, особливо при утворенні біотин-ферменту. Лізину належить важлива роль в скріпленні фосфору при мінералізації кісткової тканини і інших процесах.
Фенілаланін і тирозин. У організмі ці амінокислоти використовуються при біосинтезі білків і пептидів, утворенні протеїногенних амінів, гормонів і пігментів, піддаються окисленню до кінцевих продуктів з розривом ядра та ін.:
Триптофан. ого перетворення ілюструються схемою:
Гістидин. Відноситься до незамінних амінокислот. Бере участь в біосинтезі і обміні багатьох життєво важливих речовин:
Пролін і оксипролін. Оксипролін утворюється з проліну. Процес необоротний. Обидві імінокислоти використовуються для біосинтезу білків, пептидів, гормонів і інших речовин:
Перетворення безазотистого залишку амінокислот. Частина амінокислот, які не використані в синтезі білків і їх похідних, піддається необоротним процесам розпаду до аміаку і карбонових кислот. Аміак знешкоджується у печінці в орнітиновому циклі. З декількох видів дезамінування, що протікають в органах і тканинах організму, переважає окислювальне дезамінування. Кетокислоти, що утворилися при цьому можуть використовуватися тканинами для різних потреб.
За напрямом використання безазотистого залишку амінокислоти ділять на дві групи: глюкопластичні і ліпопластичні. З глюкопластичних амінокислот (аланін, серин, цистеїн, ін.) утворюється піровиноградна кислота, яка використовується як початкова речовина для біосинтезу глюкози і глікогену.
З ліпопластичних амінокислот (лейцин, ізолейцин, аргінін, орнітин, лізин, оксилізин, ін.) після дезамінування утворюється ацетооцтова кислота – джерело біосинтезу вищих жирних кислот.
a-Кетокислоти, що утворилися при окислювальному дезамінуванні амінокислот, декарбоксилуються і одночасно окислюються в жирні кислоти. Жирні кислоти, що утворилися, можуть піддаватися b-окисленню, де кінцевим продуктом є ацетил-КоА – джерело хімічної енергії або сировина для біосинтезу багатьох речовин.
Особливості проміжного обміну складних білків. В організмі синтезуються численні складні білки, які беруть участь в різних реакціях обміну, що визначають існування живої матерії. Біосинтез складних білків протікає аналогічно біосинтезу протеїнів. При цьому формуються первинна, вторинна, третинна і четвертна структури білкової молекули, з приєднанням відповідної простетичної групи: для нуклеопротеїдів – ДНК або РНК, хромопротеїдів – гема або іншої речовини, ліпопротеїдів – ліпіду, глюкопротеїдів – вуглеводу, фосфопротеїдів – фосфорної кислоти.
Кінцевий обмін
Під час проміжного обміну утворюється ряд хімічних сполук, які виділяються з організму як продукти розпаду білків. Зокрема, вуглекислий газ, що утворився, виділяється легенями, вода – нирками, потом, у складі калу, з повітрям, що видихається. Багато інших продуктів обміну білків, особливо азотні, виділяються в знешкоджуваному вигляді – у вигляді сечовини, парних сполук і т.д.
Перетворення аміаку. Аміак утворюється при дезамінуванні амінокислот, пуринових і піримідинових основ, нікотинової кислоти і її похідних, інших азотовмісних сполук. За добу в організмі людини дезамінується 100 – 120 г амінокислот, утворюється 1,6 – 19 г азоту або 18 – 23 г аміаку. В основному аміак в організмі людини і тварин знешкоджується у вигляді сечовини, частково – у вигляді алантоїну, сечової кислоти і амонійних солей (амоніотелічні). У ссавців, птахів і рептилій основним кінцевим продуктом азотного обміну є сечова кислота (уреотелічні організми).
Сечовина – головний кінцевий продукт азотного обміну у більшості хребетних і людини. Вона складає 80 – 90% всіх азотних речовин сечі. Процеси біосинтезу сечовини вперше були вивчені M.В. Ненцьким (90-ті роки XIX століття). Він представляв ці реакції у такому вигляді:
Деталі утворення сечовини вивчалися С.С. Caлазкіним, І.Я. Ратнером, X.А. Кребсом і ін. Була створена сучасна теорія утворення сечовини в печінці – орнітиновий цикл Кребса. Процес утворення сечовини протікає в декілька стадій.
1. NH3 і CO2, що відщепилися в процесі дезамінування і декарбоксилування під впливом ферменту карбамоїлфосфатсинтази з'єднуються, утворюючи карбамоїлфосфат:
2. Карбамоїлфосфат реагує з орнітином за участю ферменту орнітин-карбамоїлтрансферази, що призводить до утворення цитруліну:
3. Під впливом ферменту аргініносукцинат-синтетази цитрулін взаємодіє з аспарагіновою кислотою, утворюючи аргінінянтарну кислоту:
4. Аргінінянтарна кислота під впливом ферменту аргініносукцинат-ліази розщеплюється на аргінін і фумарову кислоту:
5. Аргінін під впливом ферменту аргінази розщеплюється на орнітин і сечовину, яка видаляється з організму з сечею і потом:
Орнітин вступає в реакцію з новими порціями карбамоїл-фосфату, і цикл повторюється.
Частина аміаку в тканинах зв'язується в процесі утворення амідів – аспарагіну або глютаміну, які транспортуються в печінку. В печінці вони гідролізуються, після чого з аміаку утворюється сечовина.
Деяка кількість аміаку використовується тканинами для відновного амінування кетокислот, що приводить до утворення амінокислот.
Крім того, в тканинах нирок аміак бере участь в процесі знешкодження органічних і неорганічних кислот, утворюючи з ними нейтральні і кислі солі:
H2SO4 + NH3 ® (NH4)2SO4;
H3PO4 + NH3 ® NH4H2PO4
Перетворення інших продуктів кінцевого обміну білків. У процесі обміну білків утворюються й інші продукти кінцевого обміну, зокрема, похідні пуринових і піримідинових основ, гази (виділяються у складі кишкових газів при дефекації), феноли, індол, скатол, сірчана кислота та ін. Особливо багато таких речовин утворюється в товстій кишці при гнитті білків.
Ці отруйні сполуки нейтралізуються в печінці з утворенням парних кислот, які виділяються у складі сечі, частково – поту і калу:
Індол і скатол, що утворюються при гнильному розкладанні триптофана, перетворюються на індоксил і скатоксил, які далі утворюють парні сполуки з глюкуроновою або сірчаною кислотами:
Перетворення продуктів розпаду хромопротеїдів. При розщепленні хромопротеїдів утворюються глобін і гем. Глобін піддається звичним перетворенням, типовим для протеїнів. Гем в печінці і кишках служить джерелом утворення пігментів жовчі, сечі і калу. Ці процеси відбуваються поетапно. Гемоглобін, окислюючись, перетворюється у вердогемоглобін (холеглобін). Вердогемоглобін втрачає білкову частину і атоми заліза, що призводить до утворення речовини зеленого кольору – білівердина. Білівердин відновлюється в пігмент червоного кольору – білірубін. З білірубіну після відновлення утворюється мезобілірубін, який після чергового відновлення стає уробіліногеном. Уробіліноген в кишках перетворюється на пігменти калу – стеркобіліноген і стеркобілін, в нирках – в пігмент сечі уробілін.
Продукти розпаду гема використовуються організмом для різних потреб. Так, залізо депонується в органах, де розпадається гемоглобін, у складі білків феритинів. Білівердин та білірубін є пігментами жовчі, решта речовин – пігментами сечі і калу. Розщеплення міоглобіна в організмі протікає аналогічно.
Регуляція білкового обміну
Всі етапи білкового обміну регулюються центральною нервовою системою та залозами внутрішньої секреції. Особливе місце в регуляції належить корі великих півкуль головного мозку і підкоровим центрам. У гіпоталамусі знайдений центр білкового обміну. Регуляція здійснюється рефлекторно, у відповідь на роздратування.
Дія гормонів на біосинтез білка здійснюється шляхом стимуляції утворення іРНК. Гормон передньої частини гіпофіза – соматотропін – посилює синтетичні процеси білка. Біосинтез білків стимулюється інсуліном, деякі андро- і естрогеном, тироксином. Глюкокортикоїди кори наднирників стимулюють розщеплення білків і виділення азотних речовин. Дія гормонів на обмін білків пов'язана зі зміною швидкості і напряму ферментативних реакцій. Біосинтез і, отже, активність ферментів, що беруть участь в обміні білків, залежить від наявності в продуктах харчування достатньої кількості вітамінів, які беруть участь в утворенні коферментів і простетичних груп багатьох ферментів. Зокрема, піридоксальфосфат є коферментом декарбоксилаз амінокислот, вітамін B2 – складова частина кофермента амінооксидаз, вітамін В5 – основа дегідрази глутамінової кислоти, без вітаміну С не може проходити біосинтез проліна і оксипроліна і т.д.
Патології білкового обміну
Обмін білків порушується при багатьох інфекційних, інвазивних і незаразних хворобах. Часто причиною порушень білкового обміну є неправильно складений раціон, недотримання режиму прийому їжі та ін.
Патології білкового обміну виявляються у різних формах.
Білкове голодування. Розрізняють два види білкового голодування: первинне, коли в їжі немає достатньої кількості незамінних амінокислот, і вторинне, викликане захворюваннями харчового каналу, печінки, підшлункової залози.
Порушення обміну амінокислот. При деяких хворобах печінки (гепатитах, цирозах, жовтяниці) у крові і сечі різко збільшується вміст амінокислот – наступає алкаптонурія. Зокрема, при порушенні обміну тирозина розвивається алкаптонурія, яка супроводжується різким потемнінням сечі після стояння на повітрі. При цистинозі відбувається відкладення цистину в печінці, нирках, селезінці, лімфатичних вузлах, кишках і спостерігається поява великої кількості цистину в сечі (цистинурія). При фенілкетонурії в сечі з'являється велика кількість фенілпіровиноградної кислоти. Часто причиною таких порушень є авітамінози.
Порушення обміну складних білків. Найчастіше це виявляється у вигляді порушень нуклеїнового і порфіринового обміну. В останньому випадку порушується обмін гемоглобіну, міоглобіну і інших залізовмісних білків. Так, при різних ураженнях печінки (гепатитах, фасціольозі, ін.) виникає гіпербілірубінемія, при якій вміст білірубіну в крові зростає до 0,3 – 0,35 г/л. Сеча стає темною, оскільки в ній з'являються великі кількості уробіліна, виникає уробілінурія. Іноді спостерігається порфірія – різке збільшення в крові і тканинах вмісту порфіринів. Це приводить до порфінурії і сеча стає червоною.
Лекція № 13. Обмін нуклеїнових кислот.
Нуклеїнові кислоти характеризуються високим ступенем метаболізму, оскільки з їх діяльністю пов'язаний, перш за все, біосинтез білкових речовин.
Перетравлювання та всмоктування нуклеїнових кислот
Нуклеїнові кислоти в їжі та кормах знаходяться в основному у вигляді нуклеопротеїдів.
У ротовій порожнині їжа, що містить нуклеопротеїди, механічно подрібнюється, змочуються слиною і у вигляді харчової грудки по стравоходу поступає в шлунок (у жуйних – передшлунок і сичуг). Деяка частина нуклеїнових кислот, головним чином тРНК, частково розщеплюється РНК-азою слини до оліго- і мононуклеотидів.
У шлунку більшість нуклеопротеїдів під впливом пепсину і соляної кислоти розщеплюється до нуклеїнових кислот і простих білків.
Процес перетравлювання нуклеопротеїдів завершується в тонкій кишці, де трипсин розщеплює залишки нуклеопротеїдів на нуклеїнові кислоти і прості білки. Прості білки (протаміни і гістони, альбуміни і глобуліни) поступово під впливом ферментів соку підшлункової залози і кишкового соку розщеплюються до амінокислот і всмоктуються слизовою оболонкою тонкої кишки. Нуклеїнові кислоти піддаються дії нуклеаз. Так, під впливом панкреатичної ДНК-ази частина дезоксинуклеопротеїдів (ДНП) розщеплюється на ДНК і протеїни.
Це розщеплення активується гістидином, аргініном і лізином. Потім фермент „атакує” двоспіральну молекулу ДНК по всій довжині ланцюга безладно і в декілька стадій (рис. 1).
Рис. 1. Гідроліз ДНК під дією панкреатичної ДНК-ази: 1 – 7 – стадії гідролізу.
Спочатку виникають двоспіральні уламки молекули ДНК, вони поступово коротшають, утворюючи односпіральні ділянки нуклеїнової кислоти. ДНК-аза розщеплює ДНК на олігонуклеотиди, що містять в середньому по чотири нуклеотидних залишки, з вільною –OH групою в 3'-му і фосфатною групою в 5'-положеннях залишку дезоксирибози. Процес активується іонами Mg2+.
Панкреатична РНК-аза спочатку атакує неспіралізовані ділянки РНК і гідролітично їх розщеплює. При цьому слабшають комплементарні зв'язки, які утворюють вторинну структуру молекули РНК, що сприяє подальшій деспіралізації і утворенню нових уламків молекули РНК. Розрив фосфорнодиефірних зв'язків відбувається між залишком фосфорної кислоти і 3'-м вуглецевим атомом рибозного залишку.
Далі відбувається перефосфорилювання всередині уламків молекули РНК з утворенням 2', 3'-фосфорних похідних.
Прогресує дроблення уламків молекули РНК на оліго- і мононуклеотиди, причому похідні цитозина гідролізуються швидше, ніж урацила.
Потім нуклеотиди розщеплюються під впливом неспецифічних фосфатаз або специфічних гідролітичних ферментів. Так, якщо азотною основою є аденін (A), пентозою – рибоза (P), фосфорною кислотою залишок (Ф), то подальше розщеплення мононуклеотидів можна представити так:
Нуклеозидази можуть розривати глікозидні зв'язки і на стадії нуклеотида:
Всі процеси розщеплення нуклеопротеїдів у харчовому каналі відображає схема:
Всмоктування нуклеїнових кислот. Продукти розщеплeння нуклеїнових кислот всмоктуються в тонкій кишці у вигляді мононуклеотидів, нуклеозидів, пентоз, пуринових і піримідинових основ, фосфорної кислоти (її ефірів і солей). Вони поступають у клітини покривного епітелію, потім – у міжклітинний простір, міжклітинну рідину, капіляри, венули, підепітеліальну і підслизову венозні сіті кишкової ворсинки, вени брижі, комірну вену і печінку. В печінці використовуються для різних потреб організму, у тому числі і для синтезу власних нуклеїнових кислот.
Значна частина продуктів гідролітичного розщеплення нуклеїнових кислот з печінки поступає в загальне кровоносне русло (сюди поступає деяка кількість продуктів травлення, які всмокталися і через лімфатичну систему кишок) і розноситься по всьому організму, де і використовується клітинами для різноманітних пластичних (синтезу ДНК і РНК) і енергетичних потреб.
Проміжний обмін нуклеїнових кислот
Біосинтез нуклеїнових кислот
Матеріалом для синтезу нуклеїнових кислот у клітинах можуть бути екзогенні продукти гідролітичного розщеплення ДНК і РНК їжі. Частину матеріалів для цих процесів клітини одержують у вигляді продуктів вуглеводного, ліпідного і білкового обміну. З трьох складових частин нуклеотидів – пуринових і піримідинових основ, пентоз і фосфатів – дві останніх завжди є в клітині як продукти проміжного обміну. Пуринові і піримідинові основи клітина одержує в результаті всмоктування поживних речовин або біосинтезу з більш простих сполук.
Біосинтез пуринових нуклеотидів. Використання мічених атомів (15N і 13C) показало, що в утворенні пуринового ядра бере участь ряд речовин. Так, два атоми азоту пуринового ядра походять від амідної групи глутаміна, по одному атому азоту – від гліцина і аспарагінової кислоти, атоми вуглецю – від форміата, гліцина і вуглекислого газу (рис.2).
Рис. 2. Походження атомів пуринового ядра
Біосинтез пуринових нуклеотидів відбувається поетапно.
1. Рибозо-5-фосфат під впливом ферменту рибозофосфат-пірофосфокінази взаємодіє з АТФ, що призводить до утворення a-5-фосфорибозил-1-пірофосфата (ФРПФ):
2. ФРПФ під впливом ферменту амідофосфорибозил-трансферази амінується за рахунок глутаміна, утворюючи b-5-фосфорибозил-1-амін:
3. b-5-фосфорибозил-1-амін під впливом ферменту фосфорибозилгліцинамід-синтетази вступає в реакцію з гліцином, утворюючи гліцинамідрибонуклеотид:
4. Гліцинамідрибонуклеотид за участю ферменту фосфорибозилгліцинамід-форміл-трансферази вступає в реакцію з N5, Н10-метилентетрагідрофолієвою кислотою, утворюючи N-форміл-гліцинамід-рибонуклеотид:
5. Далі під впливом ферменту фосфорибозилформіл-гліцинамідинсинтетази, речовина, що утворилася вступає в реакцію з глутаміном і перетворюється на формілгліцинамідин-рибонуклеопротеїд (форміл-ГАМ):
6. Форміл-ГАМ взаємодіє з АТФ під впливом ферменту фосфорибозиламіноімідазол-синтетази у присутності іонів Mg2+. Відбувається замикання кільця, що призводить до утворення 5-аміноімідазолрибонуклеотида:
7. Останній під впливом фосфорибозиламіноімідазол-карбоксилази карбоксилюється і перетворюється на рибонуклеотид 5-аміноімідазол-4-карбонової кислоти:
8. Сполука, яка утворилася, за участю ферменту 5-аміноімідазолсукцинокарбоксамід-синтетази і АТФ, взаємодіє з аспарагіновою кислотою:
9. 5-Аміноімідазол-4-N-сукцинокарбоксамід-рибонуклеотид реагує під впливом ферменту фосфорибозилгліцинамід-формілтрансферази з N10-формілтетрагідрофолієвою кислотою:
10. 5-Формамідімідазол-4-карбоксамідрибонуклеотид під впливом ферменту ІМФ-циклогідролази втрачає молекулу води, циклізується і перетворюється на інозинову кислоту – попередник аденілової і гуанілової кислот:
Далі інозинова кислота під впливом ферменту 5-аміноімідазол-сукцинокарбоксамід-синтетази взаємодіє з аспарагіновою кислотою з утворенням аденілоянтарної кислоти, молекула якої надалі розпадається на аденілову і фумарову кислоти. Донором енергії є ГТФ:
При утворенні молекули гуанілової кислоти інозинова кислота окислюється до ксантозин-5'-фосфата, який після взаємодії з глутаміном перетворюється на гуанілову кислоту:
Для біосинтезу полінуклеотидів потрібні макроергічні зв'язки. Вони утворюються за рахунок АТФ або іншого донатора енергії. Реакція протікає в дві стадії під впливом ферментів нуклеозидмонофосфат- і нуклеозиддифосфаткіназ:
ГМФ + АТФ ® ГДФ + АДФ;
ГДФ + АТФ ® ГТФ + АДФ.
Біосинтез піримідинових нуклеотидів. Початковою речовиною для синтезу піримідинових нуклеотидів є уридин-5'-монофосфат, який синтезується з урацила, пентози і фосфату. Пентози і фосфат завжди є в клітинах і міжклітинній рідині. Піримідинове кільце виникає з амінокислот, вуглекислого газу і форміата. Використання мічених атомів показало, що головним постачальником азоту є аспарагінова кислота і глутамін, вуглецю – CO2 і форміат.
Процес утворення нуклеотидів протікає поетапно.
1. Спочатку під впливом ферменту карбамоїлфосфатсинтази за наявності NH3 і CO2 енергії АТФ утворюється карбамоїл фосфат:
2. Під впливом ферменту аспартат-карбамоїлтрансферази карбамоїл фосфат взаємодіє з аспарагіновою кислотою, що призводить до утворення карбамоїласпартата:
3. У результаті взаємодії аміногрупи карбамоїласпартата з карбоксильною групою виникає циклічна сполука – дигідрооротова кислота, яка під впливом ферменту дегідрогенази перетворюється на оротову кислоту:
4. Під впливом оротидин-5'-фосфат-пірофосфорилази оротова кислота вступає в реакцію з 5-фосфорибозил-1-пірофосфатом, утворюючи оротидин-5-фосфат, який декарбоксилується і перетворюється на уридин-5'-фосфат:
5. Уридин-5'-фосфат – попередник інших піримідинових нуклеотидів. Для цього УМФ під впливом кіназ за рахунок АТФ перетворюється в УДФ і УТФ:
УМФ + АТФ ® УДФ + АДФ;
УДФ + АТФ ® УТФ + АДФ.
6. Перетворення урацила в цитозин відбувається на рівні нуклеозидтрифосфатів під впливом ЦТФ-синтетази:
УТФ + NH3 + АТФ ® ЦТФ + АДФ + Фн
де Фн – фосфат неорганічний.
7. Перетворення урацила в тимін відбувається внаслідок реакції метилювання з S-аденозилметіоніном (CH3–R) утворюється ТТФ:
УТФ + CH3–R + АТФ ® ТТФ + АДФ + Фн + R
Перетворення піримідинових і пуринових рибонуклеотидів у дезоксирибонуклеотиди відбувається в результаті реакції відновлення, наприклад:
ТТФ дТТФ.
Матричний синтез нуклеїнових кислот. Біосинтез ДНК відбувається під час інтерфази мітотичного поділу клітини. ДНК концентрується в хромосомах і хроматині.
Синтез ДНК. Оскільки у молекулах ДНК закодована вся генетична інформація організму, синтез і відтворення їх є необхідним і життєво-важливим процесом.
Процес синтезу ДНК називається реплікацією (копіювання, самоподвоєння), оскільки передача інформації відбувається в межах одного виду нуклеїнових кислот (від ДНК до ДНК). Реплікація відбувається у процесі росту і нормального поділу ДНК-вмісних структур (ядер, мітохондрій, пластид в еукаріот), а також у процесі поділу бактеріальних клітин та під час розмноження вірусів.
Гіпотезу щодо механізму реплікації запропонували Д. Уотсон і Ф. Крік після того, як було встановлено, що молекула ДНК складається з двох взаємокомплементарних полінуклеотидних ланцюгів. Суть даного механізму полягає в тому, що синтез ДНК здійснюється на одноланцюговій матриці, роль якої виконує ланцюг молекули ДНК, що реплікується. Подвійна спіраль ДНК при цьому розкручується і на кожному з ланцюгів добудовується новий комплементарний ланцюг (утворюється репліка).
Пізніше було встановлено, що для ДНК характерним є напівконсервативний механізм реплікації (від англ. conserve – зберігати) – у кожній новій синтезованій молекулі один ланцюг „старий”, одержаний з вихідної материнської ДНК, а другий – „новий”, синтезований (дочірній), тобто реплікація проходить так, що два ланцюги – вихідний і реплікований, сполучаючись між собою, утворюють наступне покоління молекул ДНК. Внаслідок цього процесу з однієї вихідної молекули ДНК утворюються дві молекули – точні копії, репліки, абсолютно ідентичні одна одній і вихідній матричній молекулі ДНК (рис. 3).
Як якісний, так і кількісний вміст залишків нуклеотидів у полінуклеотидних ланцюгах материнської і дочірніх ДНК повністю співпадає. Напівконсервативний механізм синтезу ДНК відіграє важливу роль у забезпеченні видоспецифічної передачі генетичної інформації від покоління до покоління і є запорукою збереження сталості видів організмів.
Згідно з дослідженнями А. Корнберга, вихідними сполуками для синтезу ДНК є вільні дезоксирибонуклеозид-5-трифосфати азотистих основ (аденіну, гуаніну, цитозину, тиміну), які під впливом відповідних ферментів сполучаються між собою з утворенням полінуклеотидних ланцюгів. Загальну схему синтезу ДНК можна подати так:
Реплікація ДНК – багатоступінчастий процес, для здійснення якого необхідні певні умови і наявність чотирьох видів рибо- і дезоксирибонуклеозид-5-трифосфатів, матриці у вигляді дволанцюгової ДНК, ферментів і білкових речовин, затравки (праймера), іонів (Mg2+, Mn2+).
Рис. 10. Схема реплікації ДНК
Матрицею служить молекула ДНК, яка реплікується. Разом з дим для здійснення реплікації необхідно близько 20 реплікативних факторів, що називаються ДНК-репліказною системою, або репліосомою. Важливими компонентами ДНК-репліказної системи є ферменти синтезу ДНК. У процесі реплікації беруть участь ферменти ДНК-залежні ДНК-полімерази (І, II, ІІІ) РНК-полімерази, ДНК-ліази, екзонуклеази, ДНК-лігази. Кожен з цих ферментів забезпечує здійснення певних етапів синтезу ДНК і часто виявляє кілька видів ферментативної активності. Зокрема, вважають, що ДНК-полімераза III, яка відіграє головну роль у процесі реплікації, має 5' ® 3' полімеразну і 3' ® 5' екзонуклеазну активності, ДНК-полімераза І має три види ферментативної активності: 5¢ ® 3' полімеразну, 3' ® 5' екзонуклеазну і 5' ® 3' екзонуклеазну. Цей фермент забезпечує розщеплення PHK затравки на матриці ДНК та процеси репарації пошкоджених ділянок молекули. ДНК-полімераза II за властивостями подібна до ДНК-полімерази І, однак для неї не характерна 5' ® 3' екзонуклеазна активність. Функції цього ферменту в клітині вивчені не достатньо. РНК-полімераза забезпечує синтез затравного ланцюга PHK (праймера) на ДНК-матриці.
Важливими компонентами ДНК-репліказної системи є також білкові речовини, які забезпечують протікання ряду необхідних етапів синтезу ДНК, зокрема таких, як:
1) „впізнавання” місця початку реплікації ДНК ферментами ДНК-полімеразами;
2) локальне розкручування дуплексу ДНК і вивільнення одноланцюгових матриць;
3) стабілізація утвореної структури;
4) синтез затравних ланцюгів (праймерів) для ініціації ДНК-полімерази III;
5) переміщення реплікативної вилки в ході копіювання;
6) закінчення синтезу та утворення нативної конформації молекули ДНК.
Ці процеси забезпечуються ДНК-зв’язуючими білками (ДЗБ), ДНК-розкручуючими білками (хеліказами), ДНК-стабілізуючими білками (гіразами) тощо.
Слід зазначити, що реплікація ДНК має певні особливості, зокрема, напівконсервативний механізм, одночасність синтезу обох ланцюгів, двонапрямленість реплікації, синтез дочірніх ланцюгів у напрямку 5' ® 3¢ , наявність праймера з вільною 3' –ОН групою дезоксирибози, фрагментарний характер реплікації.
Процес реплікації ДНК включає три взаємозалежні і взаємозв'язані етапи: ініціацію, елонгацію і термінацію.
Ініціація. Цей етап синтезу ДНК об'єднує процеси, які забезпечують початок синтезу полінуклеотидного ланцюга. Суть їх полягає у формуванні реплікативної вилки та синтезі праймера.
Оскільки для забезпечення напівконсервативного механізму синтезу ДНК необхідна наявність одноланцюгової матриці, важливою умовою початку реплікації є дестабілізація трьохмірної структури ДНК та розкручування її подвійної спіралі з утворенням реплікативної вилки (рис. 4).
Рис. 4. Реплікативна вилка
В еукаріот, на відміну від прокаріот, утворюється багато стартових точок реплікації – від 10 до 100 тисяч. Кожна з них розміщується в окремих ділянках полінуклеотидного ланцюга, і реплікація їх проходить незалежно. Такі самостійні одиниці реплікації називаються репліконами. У бактерій роль реплікону виконує хромосома.
Отже, в еукаріот молекула ДНК – це полірепліконна система, що містить велику кількість репліконів, з середини яких у двох напрямках рухаються реплікативні вилки.
ДНК при утворенні реплікативної вилки розкручується не по всій довжині, а невеликими ділянками – відрізками, що містять до 2 тисяч неспарепих основ. Утворення реплікативної вилки забезпечується білковими речовинами, які визначають точку старту реплікації та зумовлюють розкручування подвійної спіралі ДНК. У клітинах еукаріот ці процеси забезпечуються комплексною дією ДНК-розкручуючих білків. Так, топоізомерази руйнують суперспіралізовану структуру ДНК хроматину, свівелази або релаксуючі білки, зумовлюють розрив одного з ланцюгів ДНК, внаслідок чого стає можливим розкручування двоспіральної структури ДНК за участю хеліказ.
У результаті поетапної дії вищезазначених факторів двоспіральна молекула ДНК розкручується й утворюється дві одноланцюгові матриці. Оскільки в двоспіральній молекулі ДНК ланцюги антипаралельні – один з них має напрямок 5¢ ® 3', а інший – 3' ® 5', то після розкручування дуплексу утворюються одноланцюгові антипаралельні матриці. В зв'язку з тим, що реплікація за участю ДНК-полімерази III може проходити лише в напрямку 5' ® 3¢ напрямок реплікації одного ланцюга співпадає з напрямком реплікативної вилки, цей ланцюг називається ведучим, а ланцюг, реплікація якого протилежна напрямку реплікативної вилки, – тим, що запізнюється, другорядним.
Після розкручування подвійної спіралі та утворення реплікативної вилки наступає друга стадія ініціації – синтез праймера, або затравного ланцюга, PHK на структурі ДНК-матриці. Необхідність цього процесу зумовлена тим, що ДНК-полімераза III не здатна самостійно розпочати синтез ДНК на структурі матриці з використанням вільних нуклеозидтрифосфатів. Тому для ініціації синтезу ДНК необхідна затравка, яка б містила вільну 3'–ОН групу, за якою може здійснюватись ДНК-полімеразна ІІI реакція. Встановлено, що функцію затравки виконують невеликі олігонуклеотидні фрагменти PHK, комплементарні ДНК-матриці. Затравка в середньому містить 8 – 10 нуклеотидів. Синтез затравного полінуклеотидного ланцюга каталізує мультиферментний комплекс, так звана „праймосома”. До складу праймосоми входять ферменти – специфічна ДНК-залежна РНК-полімераза (ДНК-праймаза), ДНК-залежна АТФ-аза, а також білкові фактори: ДНК-зв'язуючий білок (білок В), білок n¢ тощо. ДНК-зв'язуючий білок визначає місце старту, з якого праймаза розпочинатиме синтез затравного ланцюга в напрямку 5' ® 3'. Праймосома рухається по ланцюгах матриці і синтезує праймер. Цей процес розпочинається із приєднання до стартової точки ведучого полінуклеотидного ланцюга матриці ДНК-зв¢язуючого білка. Далі за участю праймази проходить синтез затравкого ланцюга PHK, комплементарного матриці ДНК. Після закінчення синтезу на ведучому ланцюгу праймосома переміщується на ланцюг, що запізнюється, й ініціює синтез праймера на ньому. По ланцюгу ДНК, що запізнюється, праймосома рухається до наступного місця ініціації в напрямку, протилежному напрямку синтезу ДНК, але однонапрямленому з реплікативною вилкою, синтезує затравку і знову переміщується вперед. Враховуючи це, білок В називають мобільним промотором реплікації. Енергія для руху праймосоми забезпечується завдяки активності АТФ-аз білка n'.
Отже, в результаті дії праймосоми синтезується РНК-затравка на структурі ДНК-матриці. На 3'–ОН кінці затравки замість праймосоми приєднується ДНК-залежна ДНК-полімераза III, яка використовує 3¢–ОН групу для продовження копіювання матричної молекули ДНК. Синтезом праймерів завершується процес ініціації.
Елонгація, або подовження полінуклеотидного ланцюга, включає два процеси: реплікацію ділянок материнської ДНК і сполучення синтезованих ділянок між собою. Ці процеси забезпечуються ДНК-полімеразою III, яка виявляє полімеразну та нуклеотидилтрансферазну активність. Отже, в цьому випадку ДНК-полімераза III діє на два субстрати: на спарений з матрицею кінець затравки, яка містить вільну 3'–ОН групу рибози, і на дезоксирибонуклеозид-5-трифосфати (дРТФ). Хімізм реакції поліконденсації полягає в нуклеофільній атаці a-атома фосфату дРТФ 3'–ОН групою, яка міститься на кінці затравки. В результаті реакції дезоксирибокуклеозид-5-монофосфат приєднується за місцем атома водню гідроксильної групи з утворенням 3' ® 5'-фосфодіефірного зв'язку і вивільненням пірофосфату. Продукт реакції містить вільну 3'–ОН групу, за якою знову повторюється аналогічна реакція, що дістала назву „ріст з хвоста”.
В результаті багаторазового повторення цієї реакції здійснюється поступовий ріст нового полінуклеотидного ланцюга, комплементарного матричному ланцюгу ДНК.
Дослідженнями, японський вчений Оказакі в 1968 р., встановив, що синтез полінуклеотидів ДНК на матричній ДНК проходить не безперервно, а окремими фрагментами, які дістали назву фрагментів Оказакі. Утворюються вони внаслідок приєднання до 3'–ОН групи праймерів 1000 – 2000 дезоксирибонуклеотидних залишків. Послідовність нуклеотидів синтезованих фрагментів комплементарна нуклеотидній послідовності відповідної ділянки ланцюга матриці. Поступове нарощування фрагментів Оказакі триває доти, поки не досягне місця, де розташована нова затравка, з якої розпочинається ріст нового фрагменту полінуклеотидного ланцюга.
Тепер вважають, що фрагментарний механізм реплікації властивий в основному полінуклеотидному ланцюгу, що запізнюється. Вважають, що для ведучого ланцюга фрагментація не характерна.
За даними Оказакі, в живих клітинах має місце човниковий механізм реплікації. Суть його полягає в тому, що спочатку реплікація відбувається в напрямку 5' ® 3' під час просування вперед по одному ланцюгу, а потім у напрямку 5' ® 3' продовжується в протилежному напрямку по другому полінуклеотидному ланцюгу матричної ДНК. Інакше кажучи, один полінуклеотидний ланцюг синтезується в напрямку реплікативної вилки, а інший – у протилежному.
Синтезовані фрагменти Оказакі на 5'-кінці дезоксирибози містять ковалентно зв'язану РНК-затравку. Остання за участю ДНК-полімерази І, яка виявляє ендонуклеазну активність, видаляється. В міру видалення рибонуклеозидних мономерів праймера проходить їх заміна на комплементарні дезоксирибонуклеозидмонофосфати. Здійснюється цей процес за участю ДНК-полімерази І. Далі фрагменти Оказакі під каталітичним впливом ферменту лігази сполучаються між собою й утворюють дочірній ланцюг ДНК. Два новосинтезованих ланцюги, сполучаючись із своїми комплементарними матрицями, утворюють дві дочірні молекули ДНК, кожна з яких містить один материнський і один дочірній ланцюги.
Термінація. Механізм термінації, або завершення синтезу ДНК, вивчено недостатньо. В геномі деяких бактерій термінацію здійснює спеціальний термінатор, в інших такий термінатор відсутній. Тому припускають, що реплікація завершується після зустрічі двох реплікативних вилок, які рухаються назустріч одна одній.
Процес реплікації проходить з досить високою швидкістю: 1000 – 2000 нуклеотидів за секунду у прокаріот і близько 100 нуклеотидів у еукаріот. Для цього процесу характерна велика точність. Так, у процесі реплікації на 1010 пар нуклеотидів трапляється лише одна помилка. Помилково включений нуклеотид (наприклад, урацил замість тиміну) миттєво видаляються із синтезованого полінуклеотидного ланцюга, і на його місце вводиться новий. Забезпечення точності реплікації є одним з важливих етапів передачі спадкової інформації від одного покоління до іншого.
Синтез PHK на матриці PHK. Учений М.C. Гершенсон і американський біохімік Г. Тимін встановили, що крім реплікації існує й інший шлях синтезу ДНК, коли матрицею служить молекула PHK.
Оскільки передача генетичної інформації між різними видами нуклеїнових кислот (ДНК ® PHK) називається транскрипцією (переписування), то процес, що протікає у протилежному напрямку (PHK ® ДНК), дістав назву зворотної транскрипції. Каталізує процес фермент РНК-залежна ДНК-полімераза, або ревертаза (зворотна транскриптаза). Цей фермент було виділено в 1969 – 1970 pp. із тканин, інфікованих онкогенними вірусами, а також із самих вірусів цієї групи, зокрема вірусу Раушера лейкемії мишей і вірусу саркоми Рауса. Ревертаза активується іонами Mn2+, Mg2+, причому першими ефективніше, ніж другими.
Вивчення будови ферменту, виділеного із вірусів мієлобластозу птахів, показало, що він складається з двох білкових субодиниць з молекулярною масою 110 000 і 70 000 і містить два атоми зв'язаного цинку. Для функціонування ферменту ревертази необхідна затравка і матричний ланцюг PHK. Спочатку на одноланцюговій РНК-матриці за участю ферменту ревертази синтезується одноланцюгова ДНК. Внаслідок цього утворюється гібридна PHK – ДНК молекула, яка далі виконує роль матриці для синтезу комплементарного полінуклеотидного ланцюга ДНК. Цей етап каталізує фермент РНК-залежна ДНК-полімераза. На останньому етапі за участю ферменту РНК-ази від PHK відщеплюється молекула ДНК. Далі така ДНК включається в геном інфікованої, клітини і зумовлює переродження її в ракову. Однак зворотну транскриптазу виявлено і в культурах синцитіальних вірусів, які не викликають злоякісного переродження клітин. За певних умов здатність каталізувати синтез ДНК на PHK виявляють і ДНК-полімераза І та еукаріотичні ДНК-полімерази.
Відкриття процесу зворотної транскрипції має важливе теоретичне і практичне значення. Якщо раніше вважалось, що передача генетичної інформації в усіх організмів, за винятком РНК-вмісних вірусів, проходить лише від ДНК до ДНК і від ДНК до PHK, то нині встановлено, що вона може здійснюватись і від PHK до ДНК. Виявлення ферменту ревертази має важливе значення для ранньої діагностики онкологічних захворювань. Ревертаза становить значний інтерес і для генної інженерії (синтез окремих генів).
Біосинтез PHK на матриці ДНК. На матриці ДНК синтезується переважна більшість PHK тварин, бактерій і ДНК-вмісних вірусів.
Цей процес називають транскрипцією. Він здійснюється за принципом комплементарності азотистих основ нуклеотидів. Інакше кажучи, синтезується ланцюг PHK, нуклеотидна послідовність якого комплементарна послідовності нуклеотидів одного з ланцюгів ДНК. Відмінність полягає лише в тому, що замість азотистої основи тиміну, характерної для ДНК, у PHK включається урацил.
Шляхом транскрипції утворюються всі основні види рибонуклеїнових кислот. Це, по-перше, інформаційні або матричні PHK, які надходять у рибосоми і реалізують одержану інформацію в процесі синтезу білка. Інформаційна PHK може нести інформацію про структуру одного, двох і більшої кількості полінуклеотидних ланцюгів. У першому випадку таку іРНК називають моноцистронною, а в другому – поліцистронною. Моноцистронні іРНК характерні для еукаріотів, а поліцистронні – для прокаріотів. Крім іРНК у процесі транскрипції утворюються рРНК і тРНК, які також відіграють важливу роль у біосинтезі білка.
Для синтезу PHK на матриці ДНК необхідна наявність усіх чотирьох видів нуклеотидів у формі трифосфатів. Цей процес можна подати схемою:
Реакцію каталізує фермент ДНК-залежна РНК-полімераза або просто РНК-полімераза. Її виявлено в усіх прокаріотичних і еукаріотичних організмах. Найкраще вивчено РНК-полімеразу, виділену з кишкової палички. Вважають, що в кишковій паличці є лише один вид полімерази, яка каталізує процеси синтезу всіх трьох видів PHK. Полімераза – це складний білковин комплекс із загальною молекулярною масою 480000. До складу цього ферменту входить 5 білкових субодиниць: дві a-субодиниці, b-, b¢- і s-субодиниці. Комплекс, який містить дві a-, b-, b¢-субодиниці, носить назву корферменту (від англ. core – серцевина). Він виявляє певну каталітичну активність, однак не здатний вибирати точку (місце) початку транскрипції. Взаємодія корферменту з s-субодиницею приводить до утворення холоензиму РНК-полімерази, який має всі її властивості. Всі субодиниці у холоферменті сполучені між собою слабкими хімічними зв'язками.
Характерною особливістю РНК-полімерази, по-перше, є те, що вона за допомогою s-субодиниці здатна вибирати ланцюг ДНК, з якого здійснюватиметься транскрипція, а також місце, з якого розпочинатиметься цей процес. По-друге, для початку синтезу PHK не потребує затравки, як ДНК-полімераза. Слід підкреслити, що РНК-полімераза не просто синтезує PHK, а й регулює цей процес за участю ряду додаткових кофакторів. Тому повністю оправдано застосування до PHK-полімерази поняття „РНК-полімеразна система”.
РНК-полімерази виділено також і з культури клітин людини, тимусу телят, печінки щурів. У кожному випадку з ядерної фракції було виділено три різні ферменти: РНК-полімеразу І (A), РНК-полімеразу II (В) і РНК-полімеразу III (C), які відрізнялися між собою кількістю субодиниць у молекулі і їх молекулярною масою. Вважають, що РНК-полімераза І каталізує в основному синтез рибосомальних PHK, РНК-полімераза II – синтез матричних PHK, a PHK-полімераза III, очевидно, – синтез транспортних PHK і 5S рРНК.
РНК-полімерази мають два активних центри. Один з них зв'язує 3'–ОН групи рибози кінцевого нуклеотиду ланцюга PHK, який синтезується, і має назву Т-центр, а другий – нуклеотиди, які приєднуються до ланцюга PHK, що росте, і має назву П-центр.
Процес матричного синтезу PHK за участю РНК-полімераз поділяють на три стадії: ініціація синтезу, елонгація (подовження) нуклеотидного ланцюга і термінація – завершення синтезу PHK і вивільнення ферменту. В цілому всі ці стадії становлять цикл транскрипції.
Ініціація. На цій стадії РНК-полімераза взаємодіє з невеликою ділянкою ДНК, утворюючи комплекс, який здатний розпочинати зв'язування рибонуклеозидтрифосфатів і ініціювати синтез PHK. Хоч РНК-полімераза виявляє велику спорідненість до всіх ділянок ДНК, проте найміцніше вона сполучається лише ділянками, які характеризуються певними послідовностями нуклеотидів на одному з ланцюгів матричної ДНК. Ці ділянки називають промоторами. Вони багаті АТ-парами нуклеотидів і піримідиновими блоками. Вважають, що специфічність взаємодії PHK-полімерази з певними ділянками ДНК-матриці зумовлена наявністю в цих ферментах d-субодиниць (d-факторів).
Зв'язування РНК-полімерази з промоторною ділянкою ДНК приводить до часткового розходження спіралі ДНК, що важливо для початку транскрипції PHK. На цій стадії РНК-полімераза за участю Т-центру взаємодіє з 3–ОН групою рибози першого нуклеозидтрифосфату, з якого розпочинається синтез нової молекули рибонуклеїнової кислоти. При цьому від нього не відщеплюється залишок пірофосфату. Першим нуклеотидтрифосфатом в основному є АТФ або ГТФ. Далі РНК-полімераза другим активним центром (П-центром) взаємодіє з другим нуклеотидтрифосфатом. Останній за участю фосфодіефірного зв'язку приєднується до 3'-вуглецевого атома рибози першого нуклеозидтрифосфату. При цьому вивільнюється Т-центр ферменту і відщеплюється пірофосфат від другого нуклеозидтрифосфату.
Елонгація. На стадії елонгації перший активний центр ферменту зв'язується з 3¢–ОН групою рибози другого нуклеотиду і РНК-полімераза переміщується (транслокується) на поверхні ДНК в напрямку росту ланцюга. За цих умов другий активний центр ферменту сполучається з наступним (третім) нуклеотидом. Останній знову за участю фосфодіефірного зв'язку сполучається з другим нуклеозидмонофосфатом. Так відбувається ріст (синтез) нуклеотидного ланцюга в напрямку 5 ® 3 до повного завершення біосинтезу PHK.
Спід зазначити, що в системах in vivo швидкість елонгації досягає близько 40 – 50 нуклеотидів за секунду, у системах in vitro цей процес проходить менш інтенсивно – 15 – 40 нуклеотидів за секунду. Разом з цим транскрипція здійснюється з досить великою точністю. Частота помилок становить 2×10-3 – 2×10-4 тобто на 2000 – 20 000 нуклеотидів може включатись один неправильний нуклеотид. Хоч ці помилки і малі, однак вони значно більші, ніж помилки при реплікації ДНК, де частота помилок становить 10-10. Однією з причин цього є те, що в процесі реплікації бере участь додатковий механізм контролю – виправляння помилок за участю ДНК-полімерази І.
Термінація. Процес обриву ланцюга, порівняно з іншими процесами синтезу PHK менш вивчений. Вважають, що ДНК має специфічні, термінуючі послідовності нуклеотидів. РНК-Полімераза, підходячи до них, перестає функціонувати. При цьому синтезований полінуклеотидний ланцюг PHK і молекула ферменту відділяються від ДНК-матриці.
Безпосереднім продуктом транскрипції є різні види PHK. Їх називають первинними транскриптами, або попередниками відповідних цитоплазматичних PHK, і позначають пре-РНК. Процес перетворення даних пре-РНК у функціонально активні форми PHK називається процесингом, або дозріванням. Процесинг відбувається в ядрі і має свої особливості для кожного виду PHK.
Важливою групою первинних транскриптів в ядрі є так звана гетерогенна ядерна PHK (гя-РНК). Основну фракцію гя-РНК становить матрична (інформаційна) PHK (пре-мРНК).
Для більшості пре-мРНК, синтезованих в ядрі еукаріот, існує три основні етапи процесингу: кепування і метилювання 5'-кінця, поліаденілування 3¢-кінця, видалення (вирізання) некодуючих ділянок (інтронів) з полінуклеотидного ланцюга та сполучення (зшивання) кодуючих ділянок (екзонів). Цей процес називається сплайсингом (від англ. Spticing – з'єднувати, зплітати).
Для мPHK, які синтезуються в клітинах прокаріот, процесинг не характерний.
Модифікація полінуклеотидних кінців пре-мPHK відбувається так. До 5'-кінця пре-мРНК приєднується олігонуклеотид, який називають „кепом”, або „ковпаком”. „Кеп” складається з двох-трьох метильованих нуклеотидів. Кінцевим нуклеотидом „кепа” є 7-мегилгуанозин, сполучений з полінуклеотидним ланцюгом PHK не по типу 5' ® 3', а 5' ® 5'-фосфодіефірним зв'язком. Вважають, що метильований „кеп” захищає мРНК від руйнування ферментами.
До 3'-кінця пре-мРНК приєднується поліаденіловий фрагмент – полі (А), який складається з 150 – 200 аденілових нуклеотидів. Вважають, що полі (А) – фрагмент, очевидно, необхідний для транспорту мРНК з ядра в цитоплазму, а також для підвищення її стабільності. Сплайсинг пре-мРНК відбувається шляхом вилучення неінформативних ділянок (інтронів), починаючи з 5¢-кінця за участю екзо- та ендонуклеаз. Інформативні ділянки, які залишились, тобто екзони, за участю спеціальних РНК-лігаз сполучаються в єдиний полінуклеотидний ланцюг.
Певним змінам (процесингу) піддаються й інші пре-РНК, зокрема пре-рРНК і пре-тРНК.
Пре-рРНК є попередником рибосомних PHK як у клітинах прокаріот, так і еукаріот. У прокаріот всі три рРНК – 25S, 16S і 5S утворюються з однієї молекули пре-рРНК – 30S, яка має молекулярну масу ~ 2×106. Спочатку окремі азотисті основи, що входять до її складу, піддаються етилюванню. На наступному етапі пре-рРНК розщеплюється з утворенням 17S- і 25S-проміжних PHK. Далі від них поступово за участю нуклеаз відщеплюються нуклеотиди й утворюються характерні для прокаріот 16S і 23S-рРНК. 5S-рРНК утворюється окремо з 3'-кінцевої ділянки пре-рРНК.
В еукаріот 18S, 28S і 5,8S-рРНК утворюються в декілька етапів з великої 45S пре-рРНК. Процесинг відбувається в ядерці. Спочатку проходить також метилювання нуклеотидів, а потім відщеплення нуклеотидів, що призводить до утворення 18S, 28S і 5,8S-pPHK.
тРНК також утворюються з довших полінуклеотидних ланцюгів пре-тРНК шляхом ферментативного відщеплення зайвих нуклеотидів з 5'- і 3'-кінців молекули. У багатьох випадках з однієї молекули пре-тРНК утворюється дві і більше (до 7) молекул тРНК. У ході процесингу крім відщеплення нуклеотидів з кінців полінуклеотидного ланцюга проходить ще ряд змін. По-перше, з окремих пре-тРНК до 3'-кінця приєднується нуклеотидна послідовність ЦЦА, в інших пре-тРНК цей 3'-кінцевий триплет утворюється в процесі транскрипції. По-друге, багато азотистих основ нуклеотидів зазнають різних модифікацій (деякі метилюються, інші – дезамінуються, відновлюються тощо).
І, нарешті, слід зазначити, що синтез PHK істотно відрізняється від реплікації ДHK. Насамперед, він є консервативним, а не напівконсервативним – продукт синтезу не включає жодних компонентів матриці. Цікавим є і той факт, що ферменти синтезу PHK, тобто PHK-полімерази, специфічні відносно різних матриць і навіть їх окремих ділянок. Крім того, для матричного синтезу PHK не потрібна затравка. Процес синтезу починається взаємодією двох нуклеотидів. І, нарешті, процес транскрипції, на відміну від реплікації, проходить переважно з одного полінуклеотидного ланцюга ДНК-матриці.
Розпад нуклеїнових кислот в тканинах
В процесі життя відбувається постійне самооновлення клітин організму. Ці явища пов'язані з синтезом і розпадом молекул ДНК і РНК. Клітини епітелію дванадцятипалої кишки оновлюються протягом 1,6 діб, рогівки ока – 6,9, мезотелія плеври – 33,9, миготливого епітелію трахеї – 47,6 діб. Тривалість життя тромбоцита до 8 діб, лейкоцита до 13, еритроцита до 120 діб.
Нуклеїнові кислоти клітин під впливом нуклеаз (ДНК-ази і РНК-ази) розщеплюються до мононуклеотидів. Екзонуклеази розщеплюють до мононуклеотидів зовнішні ділянки молекул ДНК і РНК, ендонуклеази – внутрішні. Частина мононуклеотидів може використовуватися новою клітиною, для синтезу власних нуклеїнових кислот, інші мононуклеотиди розщеплюються на нуклеозид і фосфат, потім – на пентозофосфат і пуринову або піримідинову основу:
На другому етапі розщеплення реакцію каталізують ферменти, специфічні для кожного нуклеозида.
Таким чином, у результаті розщеплення нуклеотидів утворюються пуринові і піримідинові основи, фосфати пентоз, фосфорна кислота. Пентози можуть використовуватися як енергетичний матеріал. Основи зазнають ряд глибоких перетворень.
Кінцевий обмін нуклеїнових кислот
Пуринові і піримідинові основи, що утворилися в тканинах при розщепленні нуклеїнових кислот, отруйні і знешкоджуються в печінці (в меншій мірі – в слизовій оболонці кишок, селезінці та інших органах) до кінцевих продуктів обміну, які видаляються з організму з сечею, калом і потом.
Загальна схема розпаду пуринових основ для людини і тварин універсальна. Спочатку вони дезамінуються до гіпоксантина і ксантина, потім окислюються до кінцевих продуктів обміну – сечової кислоти і алантоїна. У ряді випадків дезамінування відбувається на рівні нуклеозидів і нуклеотидів:
В утворенні кінцевих продуктів обміну пуринових основ беруть участь декілька специфічних ферментів:
У риб і амфібій алантоїн може піддаватися подальшому розщепленню:
У різних хребетних тварин кінцеві продукти розпаду нуклеїнових кислот неоднакові. Так, у людини і людиноподібних мавп сечова кислота – кінцевий продукт пуринового обміну. В тканинах аміак зв'язується глутаміновою кислотою в глутамін, який переноситься в печінку, де і утворюється сечовина. У птахів і рептилій сечова кислота – основний кінцевий продукт всього азотного обміну. Система знешкодження аміаку шляхом утворення мало розчинної у воді сечової кислоти виникла у цих класів хребетних в результаті еволюції. У всіх тварин (окрім птахів) сечова кислота перетворюється в алантоїн – кінцевий продукт обміну пуринів, який виділяється з сечею.
Перетворення піримідинових основ має в порівнянні з пуриновими деякі особливості. Перш за все, піримідинові кільця в тканинах і печінці відновлюються до дигідропохідних, потім розмикаються, що приводить до утворення уреїдокислот, які далі розщеплюються на більш прості речовини.
Зокрема, цитозин дезамінується і перетворюється в урацил:
Урацил розпадається до b-аланіна, аміаку і вуглекислого газу; тимін – до b-аміноізомасляної кислоти, аміаку і вуглекислого газу:
По мірі утворення ці продукти видаляються з організму з сечею, потом, калом, а вуглекислий газ – з повітрям, що видихається. Аміак знешкоджується в печінці.
Регуляція нуклеїнового обміну
Нуклеїновий обмін регулюється на різних рівнях, починаючи від цілого організму і закінчуючи молекулою нуклеїнової кислоти. Провідне місце належить центральній нервовій системі і її вищому відділу – корі великих півкуль головного мозку. В гіпоталамусі знаходиться центр білкового обміну.
Нуклеїновий обмін регулюється залозами внутрішньої секреції. Так, синтез РНК і ДНК стимулюється соматотропіном, гідрокортизоном, естрадіолом. Дія гормону зазвичай виявляється разом з ферментом, що здійснює синтез або розпад нуклеїнової кислоти. Деякі стероїдні гормони є репресорами оперонів, що призводить до інтенсивного синтезу іРНК і білків. Реакція активується іонами Mg2+ і Mn2+.
Гальмування синтезу нуклеїнових кислот використовується в лікувальній практиці, особливо при лікуванні пухлин. Підбираються такі антиметаболіти, які можуть гальмувати новоутворення нуклеїнових кислот, наприклад 5-хлор-5-йод-піримідини, актиноміцин D, ін.
Патологія нуклеїнового обміну
Порушення нуклеїнового обміну різні. Найхарактернішою з них є подагра. Її причиною є порушення нейрогуморальної регуляції нуклеїнового обміну. В суглобах, хрящах, сухожильних піхвах і слизових сумках, у нирках, шкірі і м'язах відкладаються вузлики кристалів сечової кислоти і її солей. Навкруги вузликів розвивається запалення. Найбільше подагричні вузли виражені в області суглобів пальців.
Нуклеїновий обмін різко порушується при променевій хворобі. При цьому порушується процес реплікації ДНК, синтез РНК, гальмується клітинний поділ, пригнічується еритропоез, виникає лейкопенія, розвиваються язви.
З патологією нуклеїнового обміну пов'язаний патогенез сечокам'яної хвороби, коли в нирках і сечовивідних шляхах відкладаються солі сечової кислоти та інші нерозчинні речовини. Утворюється „каміння”.
Лекція № 14. Вода і обмін води.
Значення і розподіл води в організмі
Вода складає близько 3Д біомаси Землі. Перші живі організми виникли у водному середовищі. Життя без води неможливе. Собака, позбавлена корму, може прожити до 100 діб, без води – до 10, людина без води до – 7 діб. Тривале зневоднення можуть переносити лише деякі форми життя, що знаходяться у стані спокою – насіння і спори. Втрата організмом тварини до 10% води призводить до важких порушень обміну речовин, втрата 20 – 25% – до загибелі.
Фізико-хімічна характеристика води. Хімічно чиста вода – це прозора рідина без запаху і смаку. Молекула води містить 11,19% водню і 88,81% кисню. Молекулярна маса води складає 18,016, температура замерзання – 0°С, температура кипіння – 100°C, густина води при +4°C – 1 г/см3.
Вода – добрий розчинник багатьох органічних і мінеральних речовин, що пов'язано із структурою її молекули. Молекула води – електричний диполь, який має чотири полюси зарядів; два позитивних, пов'язаних з атомами водню, і два негативних, створених електронними хмарами неспарених електронів атома кисню.
Середній кут зв'язку Н–О–H рівний 104,5°, середня міжатомна відстань Н–О – 0,0965 нм. Дипольний момент води – 1,86. Вода має високу діелектричну постійну – 80. Це дає можливість її частинкам легко руйнувати кристалічні решітки (наприклад, NaCl), утворені позитивними і негативними іонами, і здійснювати їх гідратацію.
Для води характерний водневий зв'язок, що визначає в значній мірі її властивості і значення. Водневі зв'язки виникають між частковим негативним зарядом атома кисню однієї молекули води і частковим позитивним зарядом атома водню сусідньої. Довжина водневого зв'язку – 0,177 нм, відстані між атомами кисню двох сусідніх молекул води – 0,276 нм.
Водневі зв'язки утворюються між молекулами води і полярними групами багатьох неіонних сполук (спиртів, альдегідів, кетонів і ін.), обумовлюючи їх розчинність.
Водневі зв'язки беруть участь в проникності біологічних мембран, у формуванні вищих рівнів організації молекули білка, нуклеїнових кислот, ліпідів і ін.
Вода – слабий електроліт.
При дисоціації води утворюються іони гідроксонію H3O+ і гідроксильні іони ОН-. Іони гідроксонію найчастіше зображаються у вигляді іонів H+. Концентрацію іонів водню в біологічних системах виражають через водневий показник рН.
Розрізняють прісну, солонувату і солону воду. В прісній воді міститься до 1 г/кг солей, солонуватій – 1 – 25 г/кг, солоній – понад 25 г/кг. Вода містить неорганічні іони, в основному HCO3-, Ca2+ і Mg2+, гази – CO2, O2, N2 (рідше H2S), а також домішки органічних речовин: в річковій – в межах 20 мг/кг, дещо менше – в підземних, мало (до 4 мг/кг) – морській. Вода, забруднена побутовими і промисловими відходами, містить високий відсоток органічних домішок, які погіршують її якість. У забрудненій воді мешкає багато груп і видів мікробів. Епізоотична і санітарна безпека води забезпечується її очищенням і санітарною охороною водоймищ.
Розподіл води в організмі тварин. Вода – головна складова частина живого організму. Багато вищих тварин містять 60 – 75% води, медузи – до 98%. Вміст води змінюється в онтогенезі. Вода в тканинах і органах тварин розподілена неоднаково. Так, найбільше води організму зосереджено в м'язах (50,8%), найменше – в нирках (0,6%). Різні органи і тканини відрізняються між собою вмістом води. Так, наприклад, кістки містять 22% води, хрящі – 55,0, легені – 79,1, кора головного мозку – 83,3%. Біологічні рідини характеризуються високим вмістом води – до 99,5% (слина, піт). Близько 72% всієї води організму зосереджено в клітинах, 28% – в міжклітинних рідинах. 8 – 10% води організму зосереджено в плазмі крові, лімфі, лікворі, синовії, плевральній рідині.
При складанні раціонів слід враховувати, що на 1 кг маси потрібно в середньому 35 – 40 г води на добу. Для молодих організмів ця потреба в 2 – 4 рази вище.
Стан води в організмі. В органах, тканинах і клітинах вода знаходиться у вигляді вільної, гідратаційної і імобільної. Вільна вода складає основу багатьох біологічних рідин: кров, лімфа, ліквор. Вона бере участь в доставці поживних речовин і видаленні продуктів обміну з органів, тканин і клітин. Частина води входить у міцели колоїдних частинок, беручи участь в утворенні гідратних оболонок. Так, в бактерійній клітині на 1 молекулу ДНК або РНК доводиться близько 1 млн. молекул води. Деяка кількість води зв'язана з неорганічними іонами. Її називають гідратаційною водою. Вона складає близько 4% всієї води тканин. 10 – 80% такої води зв'язують білки. Втрата колоїдною частинкою гідратаційної води приводить до синерезису. Така вода не замерзає при пониженні температури до 0°C і нижче, не може розчиняти деякі речовини і т.д.
Усередині клітин міститься вода, яка не входить до складу гідратних оболонок, – імобільна вода. Її молекули розміщуються між мембранами клітини, волоконними молекулами і структурами. Імобільна вода замерзає при температурі нижче 0°C, розчиняє багато речовин, легко бере участь у реакціях обміну речовин.
Між різними видами води існує динамічна рівновага. Кількість вільної води зростає при патології (нефриті, перикардитах, абсцесах, флегмонах). Виникають набряки. При короткочасній роботі (10 – 15 хв) в організмі нагромаджується міжклітинна (вільна) вода, при тривалій (понад 30 – 60 хв) – внутрішньоклітинна (імобільна) вода.
Біологічне значення води. Вода в організмі виконує ряд життєво важливих функцій. Перш за все, вона є універсальним розчинником мінеральних і органічних речовин, що входять в корми, і продуктів обміну речовин. Вода – активний учасник багатьох реакцій обміну речовин; гідролізу, гідратації, окислення, відновлення і т.д. Вона може взаємодіяти з атомами, іонами, окремими молекулами і їх групами. Її здатність до дисоціації створює на різних ділянках організму і навіть клітини відповідну реакцію середовища, що визначає напрям і хід багатьох реакцій обміну речовин. Всі поживні речовини засвоюються в харчовому каналі з участю води (реакції гідролізу).
Вода – пластичний матеріал, з якого побудовані органи, тканини і клітини.
Вода бере участь в терморегуляції організму. Близько 25% надлишку теплової енергії виділяється з організму в результаті випаровування води з поверхні шкіри. Приблизно стільки ж тепла виділяється з організму з парами повітря, що видихається. Це дає можливість зберегти в організмі температуру, властиву для даного виду тварини і необхідну для повноцінного протікання багатьох реакцій обміну.
Молекули води беруть участь у створенні вторинної і третинної структури молекул білків.
Обмін води
Тканини і клітини використовують два види води: екзо- і ендогенну. Екзогенна вода поступає в організм ззовні. В загальній масі вона складає 6/7 всієї води, необхідної для життя організму. 1/7 Загальної маси води утворюється в тканинах тварин як кінцевий продукт окислення нуклеїнових кислот, білків, ліпідів, вуглеводів. Це ендогенна вода. Встановлено, що при повному окисленні 100 г жирів організм одержує 107,1 г води, вуглеводів – 55,6 і білків – 41,3 г. Кількісне співвідношення екзо- і ендогенної води в організмі залежить від виду і віку тварин, рівня їх продуктивності і умов зовнішнього середовища (навколишньої температури, вогкості, зони проживання), раціону, сезону року та ін. Ендогенний шлях отримання організмом води має велике значення для мешканців безводних пустель і степів, для тварин, які впадають у зимову сплячку.
Всмоктування води. Вода всмоктується слизовою оболонкою всього харчового каналу, починаючи від ротової порожнини і закінчуючи прямою кишкою. Невелика кількість води всмоктується в ротовій порожнині і в стравоході, частина – в шлунку, основна маса – в тонкій кишці, частина – в товстій кишці.
Частинки води разом з перевареними поживними речовинами проникають углиб епітеліальних слизових оболонок у результаті дифузії і осмосу, частково – піноцитоза і активного транспорту. По ендоплазматичній сітці вони поступово переміщуються від апікального краю клітини до базального, поступають в міжклітинний простір, а потім – в міжклітинну рідину, капіляри, венули, підепітеліальну і підслизову венозні сітки кишкової ворсинки, вени брижі, ворітну вену і печінку і далі у великий круг кровообігу. Деяка кількість води поступає через лімфатичну систему.
Проміжний обмін води. Після всмоктування вода транспортується до різних органів, тканин і клітин, де використовується для різних потреб. Транспортування води до тканин і клітин в основному здійснюють білки крові – альбуміни і глобуліни. Вода проникає в клітини прямим (безпосередньо) або непрямим (через міжклітинну рідину) шляхами. Обмін води в організмі є частиною загального обміну речовин і тісно пов'язаний з обміном нуклеїнових кислот, білків, ліпідів, вуглеводів. Солі натрію, особливо хлориди, сприяють накопиченню води тканинами, викликаючи набухання колоїдів. Солі кальцію, навпаки, зменшують зв’язування води білками, стимулюючи її видалення з організму. Тому хворим при запальних процесах рекомендують вводити хлорид кальцію внутрішньовенно, оскільки він зменшує процеси ексудації.
Обмін води характеризується водним балансом – співвідношенням прийнятої і виділеної з організму води. При водній рівновазі кількість води, що поступила в організм рівна кількості виділеної. Позитивний водний баланс типовий для молодих організмів, водна рівновага – для дорослих, негативний водний баланс – для старіючих організмів.
Кінцевий обмін води. Вода виділяється з організму з сечею (до 50%), потом і повітрям (до 35%), що видихається, і з калом (до 15%). Частка участі органів виділення у водному обміні змінюється залежно від умов зовнішнього середовища, виду і віку тварин, їх функціонального стану.
Регуляція водного обміну. Регуляція водного обміну здійснюється нейрогуморальним шляхом, зокрема, різними відділами центральної нервової системи: корою великих півкуль, проміжним і довгастим мозком, симпатичними і парасимпатичними гангліями.
У регуляції водного обміну беруть участь багато залоз внутрішньої секреції. Частина гормонів володіє антидиуретичною дією: наприклад, гормони задньої частки гіпофіза – вазопресин і кори наднирників – альдостерон, дезоксикортикостерон. Інші гормони стимулюють виділення води нирками: тироксин – гормон щитовидної залози, паратгормон – гормон паращитовидної залози, андрогени і естроген – гормони статевих залоз.
Гормони щитовидної залози стимулюють виділення води через пітні залози.
Вміст води в організмі регулюється наявністю в ньому катіонів. Іони Na+ сприяють зв’язуванню її колоїдними частинками білків, іони K+ і Ca2+ стимулюють виділення води з організму.
Патологія водного обміну. Водний обмін порушується при багатьох інфекційних, інвазивних і незаразних хворобах. В основі цих порушень лежать морфофункціональні зміни в органах, що беруть участь в загальному водному обміні, і розлади нейрогуморальної регуляції.
Часто причиною патології водного обміну може бути загальне і водне голодування організму. При цьому розвиваються голодні набряки. При деяких хворобах (правець, ботулізм, сказ) ускладнюється прийом води і виникає негативний водний баланс. Окремі хвороби (холера, чума, цукровий і нецукровий діабет, гастрити і ентерити) приводять до надмірної втрати тканинами води. При деяких патологічних станах у тканинах і органах ускладнюється циркуляція води і виникає позитивний водний баланс, особливо при хворобах нирок, фасциольозі, хворобах серця і ін.
Часто причинами порушень водного обміну є пухлини або травми центрів нервової системи і залоз внутрішньої секреції, що беруть участь у його регуляції.
Лекція № 15. Мінеральні речовини та їх обмін.
Загальна характеристика мінеральних речовин
У живих організмах виявлено близько 70-ти хімічних елементів, із них 47 присутні в ньому постійно. Це біогенні хімічні елементи.
За кількісним вмістом у живій матерії всі біогенні елементи ділять на дві групи: макро- і мікроелементи. Вміст макроелементів (О, H, С, N, Ca, S та ін.) у організмі тварин і людини обчислюється відсотками і сотими частками відсотка. Вміст мікроелементів (Cu, Co, Bi, I, F, Fe, Zn, ін.) у організмі складає тисячні частки відсотка і менше. Деякі автори в мікроелементах виділяють ультрамікроелементи – елементи, вміст яких в тканинах менше мільйонних часток відсотка (U, Ra, Au, Ag, Се, ін.). Макроелементи складають основну масу живої матерії (99,4%). Тканини тварин і рослин на 95 – 96,5% складаються з вуглецю, кисню, водню і азоту.
Біогенні елементи утворюють неорганічні і органічні речовини. Неорганічні речовини в середньому складають 71,5% загальної маси організму. Основою неорганічних речовин є вода і мінеральні сполуки – солі, основи, кислоти. Органічні речовини в тканинах у середньому складають 28,5% загальної маси.
Найбільше мінеральних речовин міститься в кістках (48 – 74% загальної маси) і хрящах (2 – 10%). Решта органів і тканин містить невелику кількість мінеральних речовин, хоча вміст окремих елементів може досягати значних величин.
Мінеральні речовини в тканинах і клітинах організму можуть бути у вільному і зв'язаному стані. Так, у кістках, хрящах і дентині вони знаходяться у вигляді міцних нерозчинних відкладень – неорганічних солей вугільної, ортофосфорної та інших кислот. У окремих біологічних рідинах (крові, лімфі, молоці, травних соках) багато мінеральних речовини містяться у вільному стані або у вигляді окремих іонів. Значна частина елементів входить до складу біоорганічних сполук. Так, залізо – складова частина гемоглобіну, міоглобіну, каталази і трансферинів. Фосфор – необхідний хімічний елемент нуклеїнових кислот, багатьох білків, фосфатидів, фосфорних ефірів вуглеводів, макроергів (АТФ, АДФ) й ін. Сірка є компонентом коэнзиму А, глутатіону, цистеїну, цистину і т.д. Йод входить до складу молекул гормонів щитовидної залози, ін.
В організмі мінеральні речовини виконують ряд життєво важливих функцій. Так, вони служать матеріалом, з якого будуються тканини (наприклад, кісткова) і клітинні мембрани. Розчинені неорганічні речовини беруть участь у регуляції ряду фізико-хімічних процесів і, в першу чергу, явищ осмосу і осмотичного тиску. Натрієві і калієві солі фосфорної, вугільної і деяких органічних кислот утворюють з білками тканин і крові буферні системи, беручи участь у регуляції кислотно-лужної рівноваги і підтримці постійності рН у клітинах.
З наявністю, концентрацією і присутністю заряду неорганічних іонів пов'язані фізико-хімічні властивості колоїдів організму: явища гідратації, в'язкість, розчинність, здатність до набухання й ін. Окремі катіони, наприклад кальцію, магнію, марганцю, цинку, служать активаторами або паралізаторами ферментів. Деякі метали входять до складу вітамінів, гормонів і інших органічних сполук.
З присутністю певних мінеральних, речовин (хлориду натрію) у раціоні зв'язано їх засвоєння організмом і секреторна функція харчового каналу. Деякі мінеральні речовини (сірчана кислота) беруть участь в нейтралізації отруйних продуктів, які виникають в організмі в результаті обміну речовин або поступають ззовні.
Потреба організму в мінеральних речовинах визначається багатьма чинниками. До них, в першу чергу, слід віднести вік, стать і фізіологічний стан, рівень продуктивності, склад раціону, питної води і зону проживання.
Обмін мінеральних речовин
Мінеральні речовини, що входять до складу раціону, в організмі піддаються складним перетворенням. Так, основну масу мінеральних речовин, що знаходяться у вільному стані, організм засвоює без якої-небудь попередньої переробки. Частина мінеральних речовин, що знаходяться в зв'язаному стані, засвоюється тільки після розщеплення їжі різними ферментами харчового каналу. Це, перш за все, фосфорна кислота – складова частина нуклеїнових кислот, фосфопротеїдів або фосфатидів, залізо – складова частина гемоглобіну і міоглобіну, магній – складова частина хлорофілу й ін. При цьому їжа спочатку розщеплюється ферментами до органічних і неорганічних речовин, а потім до молекул, окремі з яких розпадаються на іони, після чого і засвоюються організмом.
Всмоктування мінеральних речовин. Певна кількість мінеральних речовин всмоктується в шлунку, основна маса – слизовою оболонкою тонкої кишки, частково – товстої кишки. Зокрема, фосфорна кислота всмоктується у вигляді мінеральних солей або фосфорних ефірів, наприклад мононуклеотидів або ефірів моноз. Всмоктування двовалентних або полівалентних катіонів – багатоступінчастий процес, залежний від багатьох чинників. Так, всмоктування багатьох катіонів стимулюється присутністю в химусі жирів, жовчі і соку підшлункової залози. Всмоктування кальцію стимулюється наявністю в химусі вітаміну D. З аніонів найшвидше всмоктуються хлорид-іони, повільніше – йодид- і бромід-іони, дуже повільно – нітрат- і сульфат-іони.
Частинки мінеральних речовин проникають у цитоплазму клітин покривного епітелію слизової оболонки в результаті дифузії або осмосу, деяка частина – піноцитозом або у вигляді сполук з білковими переносниками. По ендоплазматичній сітці вони переміщуються від апікального до базального краю клітини, потім поступають у міжклітинний простір, з нього в кровоносну (частково в лімфатичну) систему ворсинок, брижі і, нарешті, в печінку і краніальну порожнисту вену, після чого розносяться по всьому організму, де використовуються його тканинами і клітинами. В печінці і в інших органах частина мінеральних речовин депонується. Інтенсивність процесів всмоктування залежить від мінерального складу раціону і ступеня забезпеченості організму тією або іншою речовиною, присутністю в їжі інших речовин і температури суміші, віку, цілісності слизової оболонки.
Надлишок мінеральних речовин може викликати підвищення осмотичного тиску в організмі і зміну іонного складу біологічних рідин. Ці явища усуваються рефлекторно – з появою відчуття спраги вживається відповідна кількість води, а надлишок мінеральних речовин видаляється нирками, пітними залозами і слизовою оболонкою кишок.
Проміжний обмін мінеральних речовин. Мінеральні речовини, що всмокталися в харчовому каналі, частково залишаються в крові і лімфі, більшість їх відкладається в органах і тканинах або використовується окремими клітинами для різних потреб: структурних, функціональних і метаболічних.
Існує локальність у депонуванні і відкладенні мінеральних речовин. Так, кальцій і магній у вигляді фосфатів, карбонатів і апатитів відкладаються в кістковій тканині. В кістках скелета концентруються багато мікроелементів – фтор, титан, стронцій, цезій, рубідій, алюміній, берилій, свинець, олово й ін. Залізо нагромаджується в тканинах печінки і в кістковому мозку, де утворюються еритроцити. Багато заліза концентрується в селезінці – місці руйнування еритроцитів. Цинк і марганець в основному накопичуються в тканинах підшлункової залози. Місцем депонування йоду є щитовидна залоза. Іонами натрію і калію багаті шкіра, підшкірна клітковина і м'язова тканина, плазма крові, лімфа, ліквор. Іони калію зосереджені усередині клітин, натрію – в позаклітинній рідині (табл. 1). Обмін іонів між клітиною і міжклітинною рідиною протікає за законами осмосу: рух іонів (окрім іонів, калію і кальцію) направлений у бік більш низького осмотичного тиску. В біологічних рідинах мінеральні речовини знаходяться в зв'язаному з білками (глобулінами або альбумінами) стані, у вигляді окремих іонів (активна форма) або солей.
В організмі відбувається безперервний обмін мінеральних речовин. В епіфізі, великій гомілковій кістці протягом 9 діб оновлюється до 11%, а за 50 діб – 28,6% фосфору. Протягом доби в організмі миші обмінюється приблизно 20% кальцію і 5% стронцію. 50% радіоактивного йоду в тканинах щитовидної залози обмінюється через 5 годин після введення, через 3 години з організму видаляється 13%, через добу – 50% радіоактивного йоду. Радіоактивне залізо, введене в організм, через декілька годин з'являється в гемоглобіні, а протягом 3 тижнів оновлюється до 60% заліза еритроцитів.
Таблиця 1.
Вміст мінеральних речовин у тваринних тканинах і органах
мг% на сиру тканину
|
Орган або тканина |
К |
Na |
Ca |
Mg |
Cl |
P |
|
М'язи |
360 |
72 |
7 |
23 |
66 |
220 |
|
Серце |
250 |
185 |
10 |
17 |
135 |
270 |
|
Легені |
150 |
250 |
17 |
7 |
260 |
120 |
|
Мозок |
330 |
170 |
12 |
16 |
150 |
380 |
|
Печінка |
215 |
190 |
12 |
22 |
160 |
210 |
|
Еритроцити |
460 |
80 |
– |
5 |
190 |
60 |
|
Нирки |
175 |
175 |
20 |
21 |
220 |
140 |
|
Сироватка крові |
20 |
335 |
10 |
2 |
370 |
15 |
|
Кісткова тканина |
61 |
180 |
11000 |
105 |
190 |
5050 |
|
Зубна емаль |
50 |
250 |
36000 |
400 |
300 |
17000 |
Кінцевий обмін мінеральних речовин. Продукти кінцевого обміну мінеральних речовин видаляються з сечею, потом і калом. Легені майже не беруть участь у видаленні цих продуктів. Основними факторами, які визначають інтенсивність кінцевого обміну мінеральних речовин, є їх надлишок в раціоні і питній воді, швидкість обміну органічних сполук, в які вони входять, наявність в організмі речовин, йому не властивих (ліків, мінеральних домішок). Частина мінеральних речовин у самок виділяється з молоком.
Через нирки з сечею виділяється натрій, калій, кобальт, кальцій, магній, вісмут, літій, сурма, хлор, бор, бром, йод, фтор, сірка та деякі інші елементи. Натрій і калій виділяються у вигляді хлоридів і сульфатів, сірка – у вигляді сульфатів і парних сполук, фосфор – у вигляді середніх і кислих солей ортофосфорної кислоти.
З калом виділяються головним чином залізо, кальцій, мідь, стронцій, алюміній, берилій, марганець, цинк, молібден і взагалі важкі метали у вигляді різних солей. Слизова оболонка кишок здатна виділяти лужноземельні солі фосфорної кислоти. Крім того, з калом виділяються з організму мінеральні речовини, які не потрібні організму і входять до складу раціону (кремнієва кислота, силікати, ін.).
Частина мінеральних речовин виділяється з потом. Мінеральні речовини виділяються у вигляді хлоридів, сульфатів, фосфатів та ін.
Стан мінерального обміну в організмі характеризує мінеральний баланс. У молодих організмів і вагітних він позитивний, у старих – негативний, у тих, що знаходяться на стадії морфо-функціональної зрілості і розквіту продуктивності, спостерігається мінеральна рівновага, тобто кількість мінеральних речовин, що виділяються з організму, рівна кількості тих речовин, що поступили з раціоном.
Регуляція мінерального обміну. Мінеральний обмін регулюється нервовою системою, залозами внутрішньої секреції і складом їжі.
Мінеральний обмін, перш за все, регулюється центральною нервовою системою. Встановлено, що видалення у експериментальних тварин кори великих півкуль різко зменшує кількість мінеральних речовин в кістках, м'язах і збільшує їх вміст в печінці. Зростає виділення солей кальцію, натрію, калію і заліза з сечею, калом і потом.
Участь залоз внутрішньої секреції в регуляції мінерального обміну досить значна. Зокрема, паратгормон регулює обмін кальцію, магнію і фосфору. Мінералокортикоїди кори наднирників беруть участь у регуляції обміну кальцію і натрію, а також виділення їх надлишку з сечею. Альдостерон регулює розподіл іонів натрію і калію між плазмою крові і клітинами: він сприяє переходу іонів натрію з клітин у плазму і переходу іонів калію з плазми крові в клітини. Під впливом антидиуретичного гормону задньої частки гіпофіза зменшується виділення сечі з організму і відбувається затримка мінеральних речовин в органах, тканинах і клітинах. Статеві гормони стимулюють діурез і сприяють виділенню надлишку мінеральних речовин з організму.
На обмін кальцію і фосфору впливає також наявність вітамінів групи D. Між окремими мінеральними речовинами існує синергізм і антагонізм. Так, якщо у ферментативних процесах іони K+, NH4+ або Pb2+ є активаторами (наприклад, для альдегіддегідрогенази), то іони Na+, Li+ – інгібіторами. Це типово також для іонів Mg2+ і Ca2+, Mn2+ і Zn2+, ін.
Патологія мінерального обміну. Розрізняють первинні і вторинні порушення обміну мінеральних речовин. Первинні порушення виникають при недостатній кількості або надлишку в їжі і воді окремих мінеральних речовин. Прикладом може бути ендемічний зоб, що виникає при недостатній кількості в раціоні йоду. Основною причиною карієсу зубів є недостатня кількість в їжі і воді фтору, флюороз виникає при надлишку фтору.
Вторинні порушення мінерального обміну виникають через порушення обміну інших речовин або нейрогуморальної регуляції. Так, при пухлинах головного мозку різко зменшується вміст мінеральних речовин у кістковій і м'язовій тканинах. При недостатній кількості в раціоні вітамінів групи D зменшується ступінь засвоюваності організмом кальцію і фосфору. Гіпофункція паращитовидної залози призводить до виникнення тетанії – захворювання, яке супроводжується зменшенням вмісту кальцію в крові і т.д.
Мінеральний обмін порушується при багатьох інфекційних і інвазивних хворобах, при захворюваннях харчового каналу, печінки, нирок, шкіри.
Значення і обмін деяких хімічних елементів
Макроелементи
Чотири макроелементи складають органічну основу живих організмів. Це кисень (62,43%), вуглець (21,15%), водень (9,86%) і азот (3,10%). Решту макроелементів прийнято вважати мінеральними. З них найбільше значення мають такі:
Кальцій. На частку кальцію доводиться майже третина всіх мінеральних речовин організму (1,9% загальної маси тіла). 97% кальцію зосереджено в скелеті у вигляді солей фосфорної і вугільної кислот. Близько 1 % кальцію знаходиться в іонізованому стані.
Всмоктування кальцію відбувається переважно в тонкій кишці. Інтенсивність всмоктування залежить від вмісту кальцію в раціоні, потреби і наявності вітаміну D. При нормальному складі раціонів всмоктується близько 50% кальцію. Вітамін D є складовою частиною білкового переносника – кальцій-зв’язуючого протеїну, який виконує при всмоктуванні три функції: стимулятора дифузії, носія і концентратора. Всмоктування відбувається в два етапи – поглинання кальцію клітинами кишкового епітелію і транспортування його до серозної оболонки. 40% кальцію організму зв'язано з альбумінами крові, які беруть участь в транспортуванні кальцію до тканин і клітин.
Кальцій бере участь у регуляції порозності ендотелію судин, у створенні структури кісткової тканини, в процесах зсідання крові. Він знижує збудливість нервової системи, стимулює діяльність серцевого м'яза, знижує проникність клітинних мембран, зменшує здатність колоїдів зв'язувати воду, бере участь у регуляції діяльності багатьох ферментів. Так, кальцій є інгібітором енолази і дипептидази, активатором лецитинази і актоміозин-АТФ-ази. При недостатній кількості в раціоні кальцію виникає гіпокальційемія. Вона супроводжується гіперфосфатеміею, підвищенням проникності клітинних мембран, остеопорозом, ламкістю і викривленням кісток, остеомаляцією, рахітом, судомами.
Обмін кальцію в організмі регулюється паратгормоном і кальцитоніном. Надлишок кальцію з організму видаляється з калом (в основному шляхом секреції слизових оболонок кишок) і сечею.
Фосфор. Вміст фосфору в організмі в середньому складає 1% загальної маси. В організмі фосфор є складовою частиною кісток і зубів, компонентом нуклеїнових кислот, фосфопротеїдів і фосфатидів, входить до складу буферних систем, макроергічних фосфатів і посередника гормональної регуляції (3', 5'-АМФ), бере участь в багатьох реакціях обміну речовин, перш за все, гліколізу, глікогенолізу і окислювального фосфорилування.
Всмоктується фосфор в проксимальній ділянці тонкої кишки. Для всмоктування фосфору необхідна наявність іонів Ca2+ і, мабуть, K+ в химусі. Всмоктування фосфору через стінку кишок здійснюється проти градієнта концентрації з участю білкових переносників. Фосфор, всмоктується у вигляді аніона РО3-4, поступає в кров, швидко поглинається печінкою, нирками, селезінкою, повільніше – нервовою, м'язовою і кістковою тканинами. Фосфор характеризується високим ступенем метаболізму, наприклад фосфор кісток і зубів оновлюється протягом 4 діб. Виділяється з сечею, калом і потом.
Обмін фосфору в організмі регулюється паратгормоном, частково – статевими гормонами. При недостатній кількості фосфору, порушенні співвідношення Ca:P або захворюваннях паращитовидної залози виникає рахіт, остеомаляція і фіброзний остит.
Mагній. Магній складає близько 0,05% загальної маси. В основному магній міститься в скелеті і м'яких тканинах. Магній входить до складу кісток і зубів, бере участь у функціонуванні нервово-м'язового апарату й імунобіологічних процесах, є складовою частиною і активатором багатьох ферментів (АТФ-ази м'язів, АХЕ, фосфатаз), регулятором окислювального фосфорилування, бере участь у біосинтезі білка (служить своєрідним містком між рРНК і тРНК+іРНК) і ацетилхоліну, діяльності мітохондрій, терморегуляції й ін.
Всмоктування магнію відбувається в шлунку і дванадцятипалій кишці. Мабуть, для кальцію і магнію існує одна і та ж система всмоктування (див. вище). Найкраще всмоктується магній молока. Дещо гірше всмоктується магній у вигляді солей MgSO4•7H2O і MgCO3. У крові знаходиться у вигляді іонів, солей і сполук з альбумінами і глобулінами. Депонується в печінці, потім поступає в м'язову і кісткову тканини. Магній – антагоніст кальцію. Виділяється з сечею, калом і потом у вигляді солей.
При недостатній кількості магнію виникає трав'яна тетанія або гіпомагнезія, яка виявляється в м'язових судомах, уповільненні росту, порушенні нервово-м'язової діяльності.
Калій. Його вміст в організмі досягає 0,22 – 0,23% загальної маси. Калій бере участь в підтримці осмотичного тиску всередині клітини, передачі нервових імпульсів, регуляції скорочень серцевого й інших м'язів, входить до складу буферних систем крові і тканин, підтримує гідратацію іонів і колоїдних частинок, активує діяльність багатьох ферментів (АТФ-ази, піруват- і фруктокіназ й ін.), є складовою частиною натрій-калієвого насоса.
Найбільше калію зосереджено в тканинах печінки, нирок, шкіри, м'язів і нервової системи. Калій в основному зосереджений у клітинах (540 – 620 мг%), мало його в міжклітинній рідині (15,5 – 21 мг%). Знаходиться у вигляді солей – хлоридів, фосфатів, карбонатів і сульфатів, в іонізованому стані і у зв'язаному стані з білками або іншими органічними сполуками.
Всмоктування калію відбувається всіма частинами харчового каналу. Через кишкову стінку калій проникає в результаті дифузії. Екзогенний калій спочатку потрапляє в міжклітинний простір, потім у кровоносну систему і печінку. Надлишок калію з організму видаляється з сечею, калом і потом.
Обмін калію в організмі регулюється мінералокортикостероїдами кори наднирників. Гіперкаліємія спостерігається при посиленому розпаді тканин, травмах, інфекціях, порушеннях регуляції з боку наднирників. При цьому гальмуються реакції гліколізу, клітинне дихання, окислювальне фосфорилування, збудливість, наступає інтоксикація. Гіпокаліємія виникає при недостатній кількості калію і виявляється у вигляді блювоти, ентеритів і ін. Це призводить до появи парезів, паралічів, нефриту і ін.
Натрій. Обмін натрію тісно пов'язаний з обміном калію. Його вміст в організмі складає 0,08% загальної маси. Натрій є складовою частиною буферних систем, разом з калієм бере участь у створенні в організмі і його клітинах відповідного осмотичного тиску, в підтримці кислотно-лужної рівноваги і проведенні нервових імпульсів. Невелику кількість гідрокарбонату натрію секретують слинні і підшлункова залози. Він і створює необхідну реакцію середовища для процесів травлення в ротовій порожнині і кишках. Натрій поступає в організм в основному у вигляді хлориду натрію. Основна маса натрію зосереджується в плазмі крові, лімфі, лікворі й інших біологічних рідинах у вигляді хлоридів, гідрокарбонатів, фосфатів і т.д. Багата натрієм шкіра, легені, мозок.
Велика кількість натрію всмоктується в тонкій кишці, а також в шлунку і товстій кишці. Натрій проникає через стінку кишок проти градієнта концентрації з участю спеціальних переносників. 90 – 95% поглиненого натрію виділяється з сечею, 5 – 10% – з калом і потом.
Обмін натрію в організмі регулюється альдостероном. Гіпонатріємія виникає при недостатній кількості натрію в раціоні, посиленій роботі, діабеті, захворюваннях наднирників. Це призводить до ослаблення апетиту, млявості, зменшення продукції залозами дна шлунку соляної кислоти, посиленої евакуації химуса з шлунку в кишки, гальмуванню виділення соку підшлункової залози. Гіпернатріємія виникає при зменшенні реадсорбції натрію в ниркових канальцях і порушенні інкреції альдостерону або антидиуретичного гормону гіпофіза. Розвиваються набряки в тканинах. Ці явища спостерігаються при нефриті, цирозах печінки, міо- і перикардитах.
Хлор. Хлор складає близько 0,08% загальної маси. Бере участь у регуляції осмотичного тиску, служить компонентом для синтезу соляної кислоти залозами шлунку. Є активатором амілази і поліпептидази. Всмоктується хлор головним чином у тонкій кишці. Концентрується в позаклітинних рідинах (до 85%), усередині клітин хлор в основному зосереджений в еритроцитах. Найбільше хлору міститься в сироватці крові. В організмі в середньому утримується 31% спожитого хлору. Надлишок хлору видаляється з сечею, калом і потом.
Обмін хлору в організмі регулюється мінералокортикоїдами кори наднирників.
Сірка. Вміст сірки в організмі коливається від 0,08 до 0,5% загальної маси. Сірка – складова частина багатьох білків, глутатіону, коензиму А, вітамінів, мукополісахаридів, деяких жовчних кислот, сульфатидів, парних сполук і ін.
Поступає з їжею у вигляді органічних (білків, амінокислот, вітамінів) і неорганічних (сульфатів) сполук. З неорганічних сполук сульфат-іони відразу ж всмоктуються кишками. Частина сірки засвоюється бактеріями харчового каналу і перетворюється в органічну. Органічні сірковмісні сполуки (білки, пептиди) організм засвоює після попереднього їх розщеплення в харчовому каналі. Частина екзогенної сірки нагромаджується в організмі у вигляді біологічно активних речовин.
Сірка бере участь в біосинтезі кератинів шерсті і волосся, в утворенні багатьох білків, гормонів, хондроітинсірчаної і таурохолевої кислот. Деяка частина сірки піддається окисленню, перетворюючись на сірчану кислоту, яка використовується клітинами печінки для нейтралізації токсичних продуктів у вигляді парних сполук – фенолсірчаної кислоти, тваринного індикана. З організму сірка виводиться з сечею, калом, потом у вигляді сульфатів або ефірів з фенолами. При недостатній кількості сірки спостерігається втрата апетиту, випадання шерсті і волосся, слюно- і сльозотеча й ін.
Мікроелементи
Йод. В організмі йоду міститься до 0,027% загальної маси. Йод необхідний для синтезу гормонів щитовидної залози. В організм йод поступає з кормом, водою і повітрям. Всмоктується в шлунку і проксимальних ділянках харчового каналу. Йодиди всмоктуються швидше, ніж йод, зв'язаний з білками і амінокислотами. Частина йоду всмоктується за допомогою білкових переносників. У крові міститься 0,5 – 10 мкг% йоду. До 90% всього йоду поглинається щитовидною залозою, інше – тканинами тонкої кишки, нирок, яєчників, плаценти, шкіри, волосся і шерсті. Найбільше йоду міститься в тканинах щитовидної залози, печінки, шкіри, нирок, яєчників, лімфовузлів і кори великих півкуль. Близько 2/3 йоду крові знаходиться у вигляді тироксина, ди- і трийодтиронінів, решта йоду зв'язана з білками, в основному з альбумінами.
Характеризується інтенсивним обміном (після введення 131J він через 10 – 15 хв з'являється в щитовидній залозі).
Надлишок йоду з організму видаляється з сечею, потом, молоком, калом, повітрям, що видихається.
Обмін йоду в організмі регулюється тиреотропним гормоном гіпофіза. Через нестачу йоду розвивається ендемічний зоб, гальмується основний обмін, окислювальне фосфорилування, пригнічується синтез білка, патологічно відкладається жир, сповільнюється ріст.
Фтор. В організмі фтор складає 0,009% загальної маси. Бере участь в утворенні опорних тканин, особливо кісткової, і зубів. Впливає на активність багатьох ферментів і на обмін речовин в цілому.
В організм поступає більше з водою, ніж з їжею. В харчовому каналі всмоктується до 80% екзогенного фтору. Швидко поглинається спочатку щитовидною залозою, потім нирками і наднирниками. Депонується в емалі зубів, дентині, діафізах і епіфізах кісток, селезінці, волоссі і шерсті, плазмі крові, еритроцитах, лікворі і молоці у вигляді фторапатита й інших сполук. З віком вміст фтору в організмі зростає. Основна маса фтору депонується в кістках (до 95%). Виділяється з сечею, калом і потом.
При недостатній кількості фтору в раціоні і питній воді розвивається карієс зубів і остеопороз кісток. Надлишок фтору в раціоні і питній воді призводить до фторозу зубів (поява темних плям на зубній емалі) і їх швидкому зношуванню, деформації кісток скелета і суглобів, обмеженню рухливості і виникненню парезів.
Залізо. В організмі залізо складає до 0,005% загальної маси. В основному воно зосереджено в гемоглобіні, феритині і гемосидерині, міоглобіні, цитохромах, каталазі, трансферинах і інших сполуках. Залізо є складовою частиною багатьох білків, необхідним мікроелементом для кровотворення і біологічного окислення. В організм поступає з їжею й питною водою.
Всмоктування відбувається в тонкій кишці, шлунку і частково в товстій кишці. Спочатку залізо поглинається слизовою оболонкою кишок, потім за допомогою білкових переносників або іншим шляхом проникає в кров. На адсорбцію заліза впливають різні екзо- і ендогенні чинники. Під впливом HCl шлункового соку іони Fe2+ перетворюються на іони Fe3+ і за допомогою феритину слизових оболонок всмоктуються. Близько 90% концентрується в червоному кістковому мозку, де використовується для утворення еритроцитів. Частина заліза депонується в печінці, селезінці, стінці кишок у вигляді феритинів і гемосидерина. Надмірний зміст заліза виділяється з калом, частково з сечею, молоком, у птахів – у складі яйця.
Обмін заліза в організмі регулюється центрами гіпоталамуса на рівні ретикуло-ендотеліальної системи і печінки. Вміст заліза в крові зменшується при анеміях, отруєннях гемолітичними отрутами, гемолітичних жовтяницях. Іноді в організмі відкладається екзогенне залізо (у вигляді Fe2O3).
Цинк. Кількісний вміст цинку в організмі складає 0,003% загальної маси. Цинк – складова частина металоензимів: дегідрогеназ, пептидаз, трансфосфорилаз, карбангідрази, урикази, фосфатаз, альдолази, уреази. Є активатором і інгібітором багатьох ферментів. Зокрема, цинк активує каталітичну дію аргінази, енолази, лецитинази, дегідро-, три- і амінопептидаз. Він входить до складу молекули інсуліну, активує дію адреналіну, тестостерону, фолікуліну, пролану, антидиуретичного і гонадотропного гормонів. З наявністю Zn в організмі пов'язані процеси клітинного дихання, росту і розвитку, обмін білків, нуклеїнових кислот, ліпідів і вуглеводів, імунітет, гемопоез, енергетичний обмін.
В організм цинк поступає головним чином у складі раціону. Всмоктується в тонкій кишці. Депонується в печінці, після чого поступає до інших органів і тканин. В організмі знаходиться у вигляді комплексних сполук з білками. Найбільше цинку міститься в тканинах ока, особливо в сітківці (249,5 мг%), а також печінці, підшлунковій залозі, аорті (161,6 мг%), селезінці. Кров і нервова тканина бідні на цинк.
Обмін цинку в організмі регулюється щитовидною залозою. При недостатній кількості цинку в раціоні сповільнюється ріст, випадає шерсть і волосся, виникають дерматити, анемія, наступає безплідність, виснаження. Вміст цинку в тканинах зростає при аноксії і асфіксії, зменшується – при лейкозі, ракових захворюваннях, нефриті, гепатитах, артритах.
Кобальт. В організмі міститься 0,000001 – 0,000075% від загальної маси. Кобальт – складова частина металоензимів: ізомераз, транскарбоксилази, гліцилгліциндипептидази. В багатьох реакціях обміну речовин він є активатором ферментів: піруваткарбоксилази, рибофлавінкінази, кісткової лужної фосфатази, аргінази й ін. Кобальт – складова частина вітаміну B12, інсуліну й інших речовин. Активує процеси кровотворення, прискорює ріст, синтез нуклеїнових кислот і м'язових білків, асиміляцію азоту і основний обмін.
В організмі всмоктується в харчовому каналі. Тут же він використовується мікробами для біосинтезу вітаміну B12. Після надходження в кровоносне русло депонується спочатку в печінці, потім в інших органах: у підшлунковій і вилочковій залозі, нирках, селезінці, наднирниках. Видаляється з організму з сечею, секретами харчового каналу і жовчю. Відсутність кобальту в раціоні призводить до акобальтозу (сповільнюється ріст, знижується продуктивність, розвивається анемія).
Мідь. В організмі міститься близько 0,00015% міді. Мідь входить до складу багатьох білків печінки, червоного кісткового мозку, плаценти, молока, пігментів і металоензимів: ЦХО, тирозинази, аскорбіноксидази, аскорбінкінази, альдолази й ін. Мідь бере участь у біосинтезі гемоглобіну, еластину, ферментів каталази і пероксидази. В організмі мідь знаходиться в зв'язаному (в основному з білками) і вільному (у вигляді іонів) стані. Іони Cu2+ володіють окислювальними властивостями: вони можуть перетворювати сульфгідрильні групи в дисульфідні. Іони Cu2+ гальмують дію лужної фосфатази, амілаз, ліпаз, пепсину, β-глюкуронідази і прискорюють окислення вітаміну С. Вітамін А і каротиноїди інактивують каталітичну дію міді. Мідь посилює використання тканинами вітамінів E і К, активує дію інсуліну і гальмує дію адреналіну, стимулює діяльність гормонів гіпофіза, усуває токсичну дію тироксина.
Всмоктується мідь у шлунку і тонкій кишці. Інтенсивність всмоктування залежить від складу раціону. Солі міді з амінокислотами і жирними кислотами всмоктуються краще, ніж солі мінеральних кислот. Транспортується мідь білками крові, в основному альбумінами, в купферовські клітини печінки, де і депонується. З печінки мідь поступає до інших органів і тканин. Надлишок міді виділяється з жовчю через кишки, нирками, шкірою, слизовими оболонками дихального апарату. У самок під час лактації частина міді виділяється з молоком.
При недостатній кількості міді розбивається анемія, порушуються функції нервової, м'язової, кровоносної і статевої систем. Надлишок міді в раціонах призводить до отруєнь – метгемоглобінемії, жовтяниці, гемоглобінурії.
Бром. В організмі брому міститься до 0,002% загальної маси. Бром бере участь в регуляції нервової діяльності – посилює процеси гальмування і еякуляції. Він є інгібітором амілаз.
В організм поступає з їжею, водою і повітрям (узбережжя морів і океанів). Основним місцем всмоктування брому є тонка кишка. Депонується в печінці, потім поступає до інших органів і тканин.
За певних умов бром може витісняти йод з його органічних похідних, що призводить до йодної недостатності. Адреналін затримує виведення брому з організму. Надлишок брому видаляється з організму з сечею, калом і потом, молоком.
Бор. В організмі бор складає 0,000001 – 0,00001% загальної маси. Найбільше його міститься в зубах і кістках (16 – 138 мг/кг сухої речовини). Біологічна роль бору повністю не з'ясована. Відомо, що бор уповільнює азотний обмін, сприяє відкладенню жиру, посилює гіпоглікемічний ефект інсуліну, інактивує діяльність деяких ферментів (лужної фосфатази, уреази, аргінази, холінестерази), інактивує дію вітамінів B2 і B12.
Бор поступає в організм з їжею і питною водою. Всмоктується в тонкій кишці. Близько 50% депонується в кістках і інших органах. Надлишок бору виділяється з сечею і частково з калом. При підвищеному вмісті бору виникають борні ентерити, нефрит, гепатити, стерильність, набряки мозку.
Марганець. В організмі ссавців марганцю в середньому міститься 0,00005% загальної маси. Марганець посилює процеси зсідання крові, кровотворення, біосинтез нуклеїнових кислот, білків, холестерину, антитіл. Він є складовою частиною деяких металоензимів: аргінази, глутамілтрансферази, дипептидази, ізоцитратдегідрогенази, карбоксилази й ін., активатором глюкокінази, фосфатаз і гексокіназ. Стимулює дію гормонів передньої частки гіпофіза, андрогенів, інсуліну. Активує ряд реакцій гліколізу і циклу трикарбонових кислот.
Марганець поступає в організм з їжею і частково з водою. Всмоктується в тонкій кишці, потім з током крові поступає в печінку й інші органи і тканини. В м'язах і крові концентрація марганцю зазвичай не перевищує 1 мг/кг. Велика частина екзогенного марганцю виділяється з жовчю в кишечник, решта – з сечею, потом, у самок – з молоком, у самців – з еякулятом.
При недостатній кількості марганцю зменшуються процеси росту, окостеніння, розвивається анемія, тетанія, знижується молочна продуктивність. Надлишок марганцю призводить до виникнення марганцевого рахіту.
Молібден. В організмі вміст молібдену визначається стотисячними частками відсотка по відношенню до загальної маси. Молібден бере участь в окисно-відновних процесах, входить до складу молекул деяких ферментів, впливає на обмін пуринових і піримідинових основ, білків, ліпідів, вуглеводів, вітамінів і ін.
В організмі молібден всмоктується всіма частинами харчового каналу, потім з током крові поступає в печінку й інші органи. Міститься в кістках (0,2 – 12 мг/кг сухої маси), печінці, жовчі. Багата молібденом біла і сіра речовина мозку, підшлункова і щитовидна залози, сім’яники. Надлишок молібдену виділяється з сечею, калом і потом, у самок – з молоком.
При підвищеному вмісті молібдену виникає токсикоз, який виявляється в порушеннях пуринового обміну і сильному виснаженні. При токсикозі порушується міцність кісток, виникає анемія, у самців гальмується сперматогенез, розвивається безплідність.
Селен. Більшість тварин містить до 0,0000035 – 0,000035% селену по відношенню до загальної маси. Селен володіє антиоксидантними властивостями, бере участь в окислювальному фосфорилуванні, разом з вітаміном E виконує функції каталізатора в процесах перенесення електронів, у комплексі з вітамінами А і E виявляє радіозахисну дію, бере участь в імунобіологічній реактивності організму і виробленні стійкості до анафілактичного шоку, гальмує дію цитратгідролази, підвищує сприйняття сітківкою ока світлового проміння.
Селен всмоктується всіма частинами харчового каналу. З білками селен всмоктується легше, ніж з неорганічними сполуками. В процесі всмоктування беруть участь білкові переносники. Частина мінеральних солей селену під впливом ферментів мікрофлори включається в амінокислоти і у такому вигляді всмоктується. В організмі селен транспортується спочатку альбумінами крові, потім α- і β-глобулінами. Близько 80% селену поглинається еритроцитами, решта маси депонується клітинами нирок, печінки і інших органів. У крові селен знаходиться у складі сполук з білками, пептидами і амінокислотами, а також у вигляді вільних іонів. Видаляється соками кишок, з повітрям, що видихається, частково з сечею, у самок – з молоком. Підвищений вміст селену призводить до токсикозу, який проявляється у вигляді гострої і хронічної форм. При цьому порушується діяльність оксидоредуктаз (особливо СДГ), біосинтез метіоніну, ріст покривних і опорних тканин, виникають анемії. Недостатня кількість селену призводить до виникнення білом’язової хвороби, коли атрофується скелетна мускулатура, з'являється безплідність, ексудативний діатез і некротична дегенерація печінки.
Хром. Відноситься до життєво необхідних елементів. Його вміст в організмі може досягати 0,001 – 0,0001%. Є дані про участь хрому в остеогенезі, обміні нуклеїнових кислот і вуглеводів, у регуляції діяльності щитовидної залози. Хром бере участь в процесах кровотворення, активує трипсиноген, посилює гіпоглікемічну дію інсуліну.
В організмі хром всмоктується в кишках. До 50% хрому депонується в кістках, м'язах і шкірі. Багато хрому міститься в гіпофізі (3 мг%), щитовидній і підшлунковій залозах, наднирниках і яєчниках. З організму видаляється в основному з сечею, частково – з калом і потом, у лактуючих самок – з молоком.
Великі дози хрому (особливо шестивалентного) викликають отруєння.
Нікель. В організмі нікелю міститься 0,000001%. Біологічне значення цього мікроелемента вивчено недостатньо. Відомо, що він активує аргіназу, впливає на окислювальні процеси. В організм поступає з їжею, частково з водою. Всмоктується в основному в тонкій кишці. Нагромаджується в печінці, нирках, підшлунковій залозі й інших органах. З організму виводиться з калом, сечею і потом.
При надмірній кількості розвивається токсикоз, який найчастіше виявляється в кератитах і керато-кон'юнктивітах. На ураженій роговій оболонці ока розвиваються язви або більмо. Захворювання зазвичай завершується сліпотою.
Миш'як. Вміст миш'яку в організмі досягає 0,0000008 – 0,00002% загальної маси. Біологічна роль миш'яку вивчена недостатньо. Встановлено, що він бере участь в реакціях гліколізу, окислювальному розпаді складних вуглеводів, бродінні й інших процесах. Арсенати прискорюють реакції гліколізу і розпад гексозофосфатів, арсеніти гальмують окисно-відновні реакції і процеси дихання еритроцитів.
Всмоктується у складі органічних сполук на 50% швидше, ніж у складі мінеральних. Депонується в шкірі і її похідних, щитовидній залозі, печінці, міокарді, слизовій оболонці матки. З організму миш'як виводиться в основному з сечею, потом, калом, у лактуючих самок – з молоком.
Його надлишок викликає отруєння: втрату апетиту, дерматити, паралічі, і смерть. Ссавці більш чутливі до цього, ніж птахи.
Стронцій. В золі, одержаній при спалюванні тіла тварин, міститься 0,0005% стронцію. Цей мікроелемент бере участь в остеогенезі, процесах зсідання крові та деяких ферментативних реакціях як інгібітор або активатор.
В організмі стронцій всмоктується в краніальній частині тонкої кишки. Нагромаджується в кістковій тканині, частково в інших органах і тканинах. З віком його кількість в організмі зростає. У жуйних надлишок стронцію з організму видаляється переважно з калом, у людини і мавп – з сечею. Багато стронцію містять жовчне і ниркове каміння.
При надлишку стронцію виникає стронцієвий рахіт: сповільнюється ріст, наступає виснаження організму, розм'якшуються кістки і виникають переломи. При цій хворобі іони Sr2+ витісняють іони Ca2+ з молекул апатиту в кістковій тканині. Велику небезпеку для організму представляє 90Sr – радіоактивний стронцій, який швидко всмоктується і може нагромаджуватися в кістках, сприяючи розвитку лейкемії і ракових захворювань. Накопичення 90Sr можна загальмувати, обмежуючи наявність в раціоні вітамінів групи D і збільшуючи вміст в організмі фосфору і кальцію.
В тканинах організму знайдені й інші мікроелементи: ванадій, олово, рубідій, цезій, титан, ртуть, срібло, золото, свинець, уран і ін. Однак біологічна роль їх вивчена недостатньо.
Лекція № 16. Обмін речовин як єдине ціле.
Біохімічні перетворення різних речовин у тваринних організмах взаємозв'язані. Порушення обміну якої-небудь однієї групи речовин, наприклад нуклеїнових кислот, як правило, спричиняє за собою зміну обміну речовин організму в цілому. Відомо, що обмін речовин складається з двох процесів: асиміляції і дисиміляції. У молодого організму, який росте, процеси асиміляції переважають над процесами дисиміляції. У дорослих тварин між процесами асиміляції і дисиміляції встановлюється динамічна рівновага. У старіючих і хворих – розпад речовин переважає над їх синтезом.
Реакції обміну речовин, що протікають в організмі, характеризуються високим ступенем узгодженості. Вони являють собою впорядковану і цілісну систему, яка склалася в результаті тривалої еволюції живого світу, закріпилася генетично і передається від покоління до покоління. Обмін речовин є закономірним порядком перетворень речовин і енергії в організмі.
Взаємозв'язок і взаємообумовленість реакцій обміну речовин координуються центральною нервовою системою і залозами внутрішньої секреції, які утворюють чітку систему нейрогуморальної регуляції асиміляції і дисиміляції. Регуляція здійснюється за допомогою ферментів, гормонів, цАМФ, медіаторів нервового збудження, загальних продуктів біохімічних реакцій. Кожна ферментативна реакція – це ланка відповідного метаболічного циклу, а всі метаболічні шляхи в сукупності складають обмін речовин. Біохімічні реакції також взаємозв'язані і протікають в певному порядку і послідовності. Так, обмін нуклеїнових кислот, білків, ліпідів, вуглеводів на перших етапах відбувається різними шляхами, але у результаті утворюються одні й ті ж кінцеві продукти. При окисленні всіх органічних речовин в організмі утворюються СО2 і Н2О, а при окисленні нуклеїнових кислот і білків, крім того, азотовмісні сполуки: сечовина, сечова кислота та ін.
Одним з „вузлових” метаболітів, який як би стоїть на перетині багатьох метаболічних шляхів, є піруват. В одних випадках ним завершується розщеплення складних речовин (наприклад, глікогену), в інших – починається біосинтез. Взаємозв'язок різних видів обміну в основному здійснюється через реакції циклу трикарбонових кислот. З окремих метаболітів, що містяться в клітинах, при необхідності утворюються структурні одиниці нуклеїнових кислот, білків, вуглеводів, ліпідів і т.д.
Взаємозв'язок обміну нуклеїнових кислот із обміном інших речовин. Обмін нуклеїнових кислот пов'язаний з іншими видами обміну речовин. Зокрема, інтенсивність біосинтезу залежить від наявності в клітині відповідної „сировини” і білків-ферментів: ДНК- і РНК-полімераз, полінуклеотидфосфорилази, синтетаз пуринових і піримідинових основ та ін. При розпаді пуринових основ утворюється гліоксилова кислота, з якої утворюється гліцин. При розпаді піримідинових основ утворюється b-аланін – джерело утворення пантотенової кислоти і коензима А. Гліцин і b-аланін можуть служити матеріалом для біосинтезу білків.
Існує зв'язок між обміном нуклеїнових кислот і вуглеводів. Так, D-рибоза і D-дезоксирибоза використовуються для біосинтезу нуклеозидів, нуклеотидів і нуклеїнових кислот. Біосинтез вуглеводів залежить від біосинтезу нуклеїнових кислот. Частина УТФ використовується для утворення уридиндифосфоглюкози – основи для біосинтезу поліглюканів.
b-Окислення вищих жирних кислот дає клітині макроергічні сполуки – нуклеозиди- і нуклеозидтрифосфати, які є джерелами хімічної енергії для утворення багатьох речовин. Біосинтез деяких фосфоліпідів залежить від ЦТФ.
Утворення нейтральних жирів із вуглеводів. Вуглеводи служать джерелом утворення жирів. Зв'язуючими ланками переходу вуглеводів у жири і назад є піруват і ацетил-КоА. З них залежно від потреби організму можуть утворюватися інші ліпіди. Гліцерин може утворюватися шляхом відновлення 3-фосфогліцеринового альдегіду або фосфодіоксіацетона (продуктів глікогеноліза або гліколіза). З піровиноградної кислоти утворюється ацетил-КоА, а з нього – вищі жирні кислоти.
Утворення вуглеводів із жирів. Вуглеводи в організмі можуть синтезуватися з жирів. Цей процес має особливе значення для тварин, які впадають в зимову сплячку. Запаси жиру у цих тварин до моменту сплячки досягають 50% загальної маси, дихальний коефіцієнт взимку низький – 0,4 – 0,6. Під впливом клітинних ліпаз жир гідролізується. Гліцерин окислюється в гліцериновий альдегід, який фосфорилується і може бути джерелом утворення глюкози і глікогену. З вищих жирних кислот при b-окисленні утворюється ацетил-Ко А, з нього – піруват і інші речовини, характерні для анаеробіозу. З глюкози утворюється, глікоген, ацетил-КоА виникає при розпаді інших ліпідів.
Утворення білків із вуглеводів. Між вуглеводним і білковим обміном існує взаємозв'язок через загальні метаболічні шляхи перетворення:
І в даному випадку ключовим продуктом обміну є піруват, з якого можуть утворитися аланін, фенілаланін, тирозин, триптофан, гістидин та ін. Крім того, з пірувата утворюється щавелевооцтова кислота, з якої синтезується аспарагінова. В ході функціонування циклу трикарбонових кислот утворюється a-кетоглутарова кислота, з якої синтезується глутамінова, і т.д. Процеси перетворення вуглеводів у білки і білків у вуглеводи регулюються глюкокортикоїдами.
Єдність обміну речовин в організмі. Обмін різних речовин в організмі є єдиним цілим. Залежно від потреб організму в тканинах і клітинах із загальних продуктів хімічних реакцій можуть синтезуватися необхідні для життєдіяльності речовини. Ведуча роль в цих процесах належить ферментам. Наявність у клітині ДНК забезпечує передачу генетичної інформації і сувору специфічність у структурі найважливіших біополімерів. При розщепленні вуглеводів і ліпідів, а іноді і білків, поновлюються запаси АТФ та інших макроергічних сполук.
Таким чином, живий організм є саморегульованою системою, яка за рахунок безперервного обміну речовин забезпечує своє існування. Порушення реакцій обміну і діяльності цієї системи призводить до патології.
Лекція № 17. Контроль і регуляція метаболізму.
Живі організми – відкриті системи, важливою умовою існування яких є підтримання сталості складу внутрішнього середовища, стабільності біохімічних параметрів, що визначають поняття гомеостазу. Все це забезпечується за участю специфічних внутрішніх та зовнішніх факторів у процесі тісної взаємодії організму з навколишнім середовищем. Забезпечення регуляції процесів життєдіяльності є необхідною умовою існування організмів. Злагоджений перебіг біохімічних перетворень, їх тісний взаємозв'язок і взаємозумовленість, можливість взаємоперетворення різних класів органічних сполук, швидка мобілізація внутрішніх резервів організму забезпечує існування живих організмів в умовах взаємодії їх з навколишнім середовищем.
При зміні умов навколишнього середовища включаються механізми, які забезпечують динамічну стабілізацію основних параметрів, що визначають життєдіяльність. Механізми регуляції сформувались у процесі тривалої еволюції і відповідають завданню максимального виживання організму. Дані механізми включаються на самих ранніх рівнях організації живих систем і здійснюються на молекулярному, субклітинному, клітинному та організменному рівнях. Для кожного з них характерні певні специфічні закономірності та загальні принципи, що реалізуються як на рівні окремих клітин, так і на рівні організму в цілому. Розрізняють декілька рівнів регуляції процесів життєдіяльності – метаболітний, оперонний, клітинний, організменний, популяційний та ін.
Регуляція на рівні мембрани
У дослідженнях на бактеріях вдалося точно охарактеризувати механізми, що забезпечують активне і специфічне проникнення в клітину деяких метаболітів завдяки участі в них білків пермеаз, які переносять ці метаболіти через мембрани. Деякі з пермеаз, наприклад білок М, що відповідає за активне перенесення β-галактозидів, вже стають відомі. Значно менше вивчений активний специфічний транспорт субстратів всередину тваринних клітин. Наведемо декілька прикладів.
– Всмоктування вуглеводів в кишечнику є специфічним і активним процесом. Швидкість всмоктування для різних вуглеводів неоднакова. Активний транспорт забезпечує всмоктування вуглеводів тільки D-ряду. Глюкоза і галактоза переносяться активно, але фруктоза не піддається активному транспорту.
– Проникнення вуглеводів усередину клітини ставить складні проблеми. В загальному, фундаментальне значення тут приписують інсуліну. Цей гормон сприяє активному надходженню глюкози і галактози, але не фруктози. Гіперглікемія, яка спостерігається при панкреатичному діабеті, частково пояснюється порушенням транспорту глюкози в клітини.
– Рух води і іонів в нирках до певної міри знаходяться під гормональним контролем. Іони Na+ реабсорбуються в основному в проксимальній частині каналу, проте частина їх абсорбується і на дистальній ділянці. Ця остання реабсорбція активується альдостероном. Реабсорбція іонів Na+ супроводжується секрецією іонів К+. Вазопресин сприяє проходженню води через мембрани, стимулюючи також і реабсорбцію води в нирках.
– Мембрана нервового волокна володіє вибірковою проникністю по відношенню до іонів. Зміни проникності відповідальні за формування току дії нервового імпульсу.
Мембрани беруть участь в регуляції ще і завдяки іншим своїм властивостям, частково зв'язаним між собою, а саме:
– здатність мембран фіксувати гормони. Мембрани різних типів клітин містять специфічні ділянки фіксації (рецептори) нестероїдних гормонів. Наявність специфічного для даного гормону рецептора на мембрані обумовлює активність цього гормону в клітині.
– ферментативній активності мембран. Клітинні мембрани містять ферменти; деякі з них, наприклад аденілатциклаза, зв'язані з рецепторами гормонів. Інші ферменти, такі, як АТФ-ази, беруть участь у проникненні іонів до клітини.
– участь у регуляції клітинного росту, ймовірно за допомогою регуляції синтезу ДНК. Контактне гальмування здійснюється через посередництво мембрани.
Регуляція за участю циклічного АМФ (цАМФ)
цАМФ відіграє основну регуляторну роль на різних рівнях. Синтез цАМФ сам по собі є об'єктом регуляції. Цей синтез управляється мембранним ферментом – аденілатциклазою, активність якого контролюється гормонами, що фіксуються на специфічних ділянках мембрани. Молекули цАМФ відіграють, таким чином, роль „вторинних вісників” цих гормонів. Два гормони, які впливають на одну і ту ж клітину шляхом активації аденілатциклази, наприклад адреналін і глюкагон у печінці, володіють однаковою фізіологічною активністю. цАМФ гальмується ферментом фосфодіестеразою, який наявний в цитозолі і в плазматичній мембрані. Вважають, що дія цАМФ у еукаріот завжди виявляється через посередництво тієї або іншої протеїнкінази, яку він активує. Специфічність різних протеїнкіназ дуже різноманітна. Вони локалізовані головним чином у цитозолі, плазматичній мембрані і в білках хроматина (останні, проте, не активуються цАМФ). Перерахуємо основні види регуляторної активності цАМФ:
– Метаболічна роль. цАМФ активує глікогеноліз і ліполіз і гальмує глікогеногенез.
– Дія на синтез і виділення гормонів. Виділення гіпофізарних гормонів знаходиться під контролем гормонів гіпоталамуса. Гіпофізарні гормони направляють синтез і виділення гідрокортизону, статевих гормонів і тиреоїдних гормонів. Всі ці явища управляються цАМФ, який стимулює також і виділення інсуліну.
– Дія на секрецію. цАМФ стимулює секрецію амілази, НСl, шлункового соку, простагландину і кальцитоніну.
– Дія на мембранну проникність. Вазопресин і окситоцин сприяють проникненню води і активному транспорту іонів Na+. цАМФ діє також на синаптичні мембрани і тим самим на проведення нервового імпульсу.
– Дія на білковий синтез. цАМФ активує протеїнкінази, які фосфорилують рибосомальні білки, проте наслідки цього фосфорилування невідомі. цАМФ стимулює синтез певних білків, наприклад синтез тирозинтрансамінази. Він, є медіатором індукції ферментів деякими гормонами.
– Дія на транскрипцію. Ця дія добре вивчена у бактерій. У еукаріот вона менш очевидна, хоча фосфорилювання білків хроматина і стимулює транскрипцію, але протеїнкинази хроматина нечутливі до цАМФ.
– Дія на ріст клітин. цАМФ є інгібітором клітинного росту. Чим швидше росте клітина, тим менше вона містить цАМФ. цАМФ, ймовірно, бере участь у контактному гальмуванні. Ракові клітини бідні цАМФ. Додавання цАМФ до ракових клітин уповільнює їх ріст і сприяє нормалізації їх морфології.
– Дія на гладеньку мускулатуру і серцевий м'яз. цАМФ викликає пониження тонусу гладеньких м'язів. Для серцевого м'яза він є медіатором дії норадреналіну.
– Дія на агрегацію клітин. цАМФ гальмує агрегацію кров'яних пластинок, стимулює дисперсію меланофорів шкіри, викликаючи її пігментацію.
– Вплив на рухливість. цАМФ стимулює рухливість сперматозоїдів і найпростіших. Він проявляє свою активність в мікротрубочках, що відповідають за переміщення внутрішньоклітинних компонентів.
Метаболічний рівень регуляції
Метаболічний рівень регуляції забезпечує узгодженість процесів обміну за рахунок зміни концентрації метаболітів. Метаболіти – це низькомолекулярні сполуки, які потрапляють в організм з продуктами харчування або утворюються в результаті послідовних ферментативних перетворень різних сполук. Оскільки основна маса метаболітів утворюється внаслідок ферментативних перетворень, то даний рівень регуляції забезпечується за рахунок заміни активності ферментних систем.
Регуляція активності ферментних систем здійснюється кількома шляхами – за участю специфічних і неспецифічних механізмів та зміни об'єму синтезу ферментів. Перший та другий механізми регуляції включають ізостеричну та алостеричну взаємодію, а також вплив температури, значення рН, концентрації субстратів та ін. Зміна об'єму синтезу ферментів забезпечується, як правило, за рахунок індукції та репресії.
Зміна концентрації субстратів досягається переважно за рахунок компартменізації, скоординованості біохімічних перетворень у просторі і часі. Окремі біохімічні перетворення локалізовані на певних ділянках клітин – в органелах, цитоплазмі чи мембранних системах, де і зосереджені відповідні ферментні системи. Синтез білка здійснюється на рибосомах, гліколіз – у цитоплазмі, процеси біологічного окислення – на внутрішній мембрані мітохондрій. Завдяки цьому численні біохімічні перетворення, досить часто зовсім протилежні (розщеплення і синтез), здійснюються одночасно, не заважаючи один одному, тобто за рахунок компартменізації забезпечується просторова скоординованість біохімічних перетворень.
Перебіг біохімічних реакцій у живих організмах здійснюється також у суворій послідовності, внаслідок чого створюється, як правило, ланцюг взаємопов'язаних реакцій, в яких кінцеві продукти одного перетворення можуть бути використані у вигляді вихідних продуктів для наступного перетворення. Так, анаеробне перетворення вуглеводів (гліколіз) включає одинадцять послідовних реакцій, кожна з яких створює умови для перебігу наступної, тобто швидкість кожної з цих реакцій залежить від метаболітів, що утворюються в результаті попередньої. При цьому швидкість процесу гліколізу може регулюватись як певними метаболітами, що утворюються внаслідок даного перетворення, так і кінцевими продуктами гліколізу (молочна кислота може гальмувати утворення вихідного субстрату – глюкозо-6-фосфату).
Регуляція метаболічних реакцій здійснюється за принципом зворотного зв'язку (ретрогальмування). Важлива роль у забезпеченні даного процесу належить мультиферментним комплексам і системам, в яких індивідуальні ферменти організовані так, що продукт попередньої реакції є субстратом наступної. Прикладом може бути піруватдекарбоксилазний комплекс, синтетаза жирних кислот та ін.
Метаболіти, за участю яких забезпечується регуляція швидкості ферментативних перетворень, можуть мати екзогенне походження. Так, синтез білка в гетеротрофних організмах лімітується надходженням незамінних амінокислот.
Регуляція активності ферментних систем може здійснюватись за рахунок зміни концентрації ефекторів (активаторів та інгібіторів) алостеричних ферментів. Зв'язуючись з алостеричним центром, ефектори можуть кооперативно змінювати конформацію субодиниць, що призводить до зміни просторової орієнтації як усієї молекули ферменту, так і ділянок її, що відповідають за перетворення субстрату (активних центрів), а це спричиняє зміну активності ферменту в бік її зниження чи підвищення. Ефекторами, як правило, є низькомолекулярні метаболіти, іони металів, гормони. Кількість алостеричних ферментів при цьому не змінюється.
Слід зазначити, що метаболіти можуть виступати і в ролі ізостеричних (конкурентних) інгібіторів ферментів.
Активність ферментів значною мірою залежить від зміни умов, в яких проходить ферментативне перетворення. Ферменти досить чутливі до зміни температури, рН середовища, іонної сили тощо.
Регуляція активності ферментних систем може забезпечуватись також за рахунок зміни кількості ферментів. Кількість ферментів у клітині залежить від наявності білків-репресорів, які кодуються геном-регулятором. Залежно від того, в якому стані утворюється білок-репресор, розрізняють індукцію (збільшення) та репресію (зменшення) синтезу ферментів.
У вигляді індукторів, як правило, виступають низькомолекулярні сполуки, продукти ферментативних перетворень (метаболіти). Ферменти, що утворюються внаслідок індукції, називаються індукованими.
Оперонний рівень регуляції
Даний рівень регуляції процесів життєдіяльності забезпечується на рівні оперона. Оперон – ділянка ДНК, обмежена промотором і термінатором, яка знаходиться під регуляторною дією гена-регулятора і забезпечує синтез молекул іРНК. Оперон може бути моно- і поліцистронним. У першому випадку він забезпечує синтез однієї молекули іРНК, яка може виступати в ролі матриці в процесі синтезу білка, а в другому – кількох молекул іРНК. Отже, на рівні оперона забезпечується регуляція синтезу іРНК, які використовуються в ролі матриці в процесі синтезу білка на рибосомах. Білки – ферменти, синтез яких здійснюється при трансляції, забезпечують численні ферментативні перетворення різних субстратів. Слід зазначити, що при трансляції здійснюється також синтез білків, які не мають ферментативних властивостей (гістонові, рибосомальні й ін.), які забезпечують перебіг досить важливих процесів обміну. Синтез цих білків також регулюється на рівні оперона за рахунок зміни об'єму синтезу іРНК при транскрипції.
Регуляція синтезу іРНК на оперонному рівні забезпечується за рахунок кількох механізмів, серед яких важливе значення має індукція і репресія, посттранскрипційна модифікація, взаємодія з хроматином гормон-рецепторних комплексів тощо. За участю даних механізмів здійснюється зміна метаболічної активності та регуляція функцій геному.
Клітинний рівень регуляції
Якщо врахувати, що клітина є основною структурною одиницею живих організмів, то інтенсивність перебігу обмінних процесів у ній відіграє вирішальну роль у забезпеченні процесів життєдіяльності. Механізми, що забезпечують регуляцію процесів життєдіяльності на клітинному рівні, досить різноманітні. Серед них найважливіше значення мають ядерно-цитоплазматичні відносини, посттранскрипційні та посттрансляційна модифікації макромолекул, макромолекулярна взаємодія, транспорт речовин та іонів.
Суть ядерно-цитоплазматичних взаємовідносин полягає у взаємозалежному контролі синтезу важливих біополімерів клітин. Так, синтез структурних компонентів деяких біополімерів, зокрема субодиниць ферментів, може здійснюватись на рибосомальному апараті в цитоплазмі та автономному апараті білкового синтезу в мітохондріях чи хлоропластах.
Регуляція синтезу субодиниць ферментів у першому випадку забезпечується за рахунок ядерного апарата клітини, а в другому – відповідно хлоропластного чи мітохондріального геному, локалізованого в цитоплазмі.
Такий ядерно-цитоплазматичний контроль характерний для синтезу багатьох білків-ферментів, зокрема таких, як цитохромоксидаза, протонна Н+-АТФ-аза, рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилаза, а також білків, що входять до складу мембранних структур клітини. За рахунок ядерно-цитоплазматичних відносин забезпечується злагоджена робота білок-синтезуючих систем клітини, внаслідок чого здійснюється синтез численних білків з характерними властивостями та функціями, підтримуються на належному рівні всі процеси обміну в клітині.
Суть посттранскрипційної та посттрансляційної модифікацій біомолекул полягає у перетворенні попередників, що утворюються в результаті транскрипції чи трансляції на функціонально-активні молекули. Посттранскрипційна модифікація різних видів РНК, що утворюються в процесі транскрипції (тРНК, мРНК, рРНК), полягає в метилюванні азотистих основ мононуклеотидів, вирізанні певної послідовності нуклеозидмонофосфатів, приєднанні певних олігонуклеотидних фрагментів та функціональних груп тощо. Забезпечується це з участю специфічних ферментів, характерних для певного виду модифікацій. Прикладом може бути посттранскрипційна модифікація іРНК, яка здійснюється в результаті процесингу і сплайсингу первинного транскрипту.
Процеси посттранскрипційної модифікації різних видів РНК клітини називаються дозріванням. Формування функціонально-активних молекул у процесі посттранскрипційної модифікації значною мірою визначає інтенсивність білкового синтезу в клітині.
Важливе значення у забезпеченні перебігу метаболічних процесів в організмі має також посттрансляційна модифікація білкових молекул, синтез яких здійснюється на рибосомальному апараті клітини. Суть посттрансляційної модифікації полягає у відщепленні пептидних фрагментів, приєднанні функціональних груп та модифікації залишків амінокислот тощо. Прикладом посттрансляційної модифікації є глікозилювання білків – приєднання вуглеводних компонентів, залишків фосфату, внаслідок чого утворюються різні групи складних білків. Посттранскрипційна модифікація забезпечує утворення множинних форм ферментів, які відіграють важливу роль у регуляції метаболічних процесів. Регуляція процесів життєдіяльності на клітинному рівні забезпечується також за рахунок взаємодії між макромолекулами (білок – білкової, білок – нуклеїнової, білок – ліпідної, вуглевод – білкової взаємодії).
Взаємодія між різними біомолекулами в клітині забезпечує злагодженість та скоординованість біохімічних перетворень, характерних для живих систем. Найсуттєвішим серед інших видів взаємодії є білок – білкова взаємодія.
Даний вид взаємодії сприяє утворенню мультиферментних комплексів, ферментів мультимерів, які забезпечують поетапне перетворення різних субстратів, а також утворення гормон-рецепторних комплексів, що забезпечують дію гормонів пептидної та білкової природи.
Внаслідок білок-ліпідної взаємодії забезпечується структура та функції мембранних систем клітини, визначається рівень біологічної активності мембранно-зв'язаних ферментів, ступінь проникності мембран для різних метаболітів тощо.
Організменний і популяційний рівні регуляції
Організменний рівень регуляції забезпечується за рахунок складних механізмів, для здійснення яких необхідна наявність спеціальних диференційованих клітин і систем, що виявляють контрольну функцію (нервові клітини, ендокринні залози). Отже, регуляція процесів життєдіяльності на організменному рівні відбувається на рівні нервової та ендокринної систем (нейрогуморальний механізм регуляції). Нервові клітини та ендокринні залози забезпечують досить тонкі механізми регуляції процесів життєдіяльності. Зв'язок між ними здійснюється на рівні гіпоталамічної ділянки мозку і гіпофіза. Нервова регуляція, як система екстреного реагування та більш повільна гормональна регуляція, складають дві сторони єдиного важливого процесу, який забезпечує існування живих організмів в умовах постійного двостороннього зв'язку з навколишнім середовищем.
Суть популяційного рівня регуляції полягає у взаємодії між певними популяціями за рахунок впливу хімічних сполук, що продукуються одними з них, на обмін речовин та поведінкові реакції інших. Реалізуються популяційні взаємовідносини через систему рецепторів тканин – мішеней реципієнтів. Найчастіше внутрішньовидова та міжвидова взаємодії забезпечуються за допомогою таких сполук, як антибіотики, терпени, фітонциди, фітоалексини, фітогормони та ін.
Дослідження взаємовідносин між популяціями є предметом науки – хімічної екології, яка займається розробкою екологічної стратегії та з'ясуванням суті механізмів біохімічних зв'язків між організмами в живій природі.
PAGE 172
Комплексний навчальний посібник: лекційний курс