Биохимия пособие Коновалова 2012

Накопление АМФ, АДФ (аллостерические активаторы) приводит к стимуляции гликолиза, ЦТК и окислительного фосфорилирования, что приводит к восстановлению резервов АТФ и креатинфосфата Это самый быстрый способ ресинтеза АТФ. Максимально эффективен. Не требует присутствия кислорода, не дает побочных нежелательных про­ дуктов, включается мгновенно. Его недостаток - малый резерв суб­ страта (хватает только на 20 с работы). Обратная реакция может про­ текать в митохондриях с использованием АТФ, образовавшейся в про­ цессе окислительного фосфорилирования.

j Мембрана митохондрий хорошо проницаема как для креатина, так и для креатинфосфата, а креатинфосфокиназа есть и в саркоплазме, и в межмембранном пространстве митохондрий.

Миокиназная реакция. Протекает только в мышечной ткани. АДФ----- ►АТФ + АМФ.

Реакция катализируется миокиназой (аденилаткиназой). Главное значение этой реакции заключается в образовании АМФ - мощного ^аллостерического активатора ключевых ферментов гликолиза, глико-

; генолиза.

( Анаэробный гликолиз и гликогецрлиз. Не требуют присутствия кислорода (анаэробные процессы). Обладают большим^резервом суб1стратов. Используется гликоген мышц (2 % от веса мышцы) и глюкоза 'крови, полученная из гликогена печени. Недостатки следующие: не- } большая эффективность - 3 АТФ на один глюкозный остаток гликоге- t на; накопление недоокисленных продуктов (лактат); анаэробный глиГколиз начинается не сразу —только через 10-15 с после начала мышеч- }.ной работы.

Окислительное фосфорилирование. Преимущества: это наиболее энергетически выгодный процесс - синтезируется 38 молекул АТФ при окислении одной молекулы глюкозы. Имеет самый большой ре­ зерв субстратов: может использоваться глюкоза, гликоген, глицерин, кетоновые тела. Продукты распада (С02и Н20) практически безвред­ ны. Недостаток: требует повышенных количеств кислорода.

Важную роль в обеспечении мышечной клетки кислородом игра­ ет миоглобин, у которого сродство к кислороду больше, чем у гемо­ глобина: при парциальном давлении кислорода, равном 30 мм.рт.сг., миоглобин насыщается кислородом на 100 %, а гемоглобин - всего на 30 %. Поэтому миоглобин эффективно отнимает у гемоглобин достав­ ляемый им кислород.

Основные источники энергии в мышечной ткани в покое: Р- окисление жирных кислот, кетоновые тела; при работе (в зависимости от снабжения 0 2) - анаэробный гликолиз, гликогенолиз, ЦТК.

В скелетных мышцах, кроме адениловых нуклеотидов (АТФ, АДФ, АМФ), креатинфосфата, креатина содержатся и другие небелко-

5 3 1

вые азотистые вещества —карнозин и ансерин. Это имидазол со­ держащие дипептиды. Синтезируются из конечного продукта распада пиримидиновых нуклеотидов - р-аланина. Эти соединения активируют Ыа+К+АТФазу, а также увеличивают амплитуду мышечного сокраще­ ния, предварительно сниженную утомлением.

Изменение метаболизма при мышечной работе

Уменьшение концентрации АТФ смещает равновесие креатинфосфокиназной реакции вправо: используется креатинфосфат. Далее включается гликолиз, так системе окислительного фосфорилирования необходима 1 мин для запуска. Это Пусковая фаза мышечной работы.

Дальше изменения метаболизма зависят от интенсивности мы­ шечной работы: если мышечная работа длительная и небольшой ин­ тенсивности, то в дальнейшем клетка получает энергию путем окисли­ тельного фосфорилирования - это работа в "аэробной зоне"; если мы­ шечная работа субмаксимальной интенсивности, то - дополнительно к окислительному фосфорилированию включается анаэробный гликолиз —это наиболее тяжелая мышечная работа —возникает "кислородная за­ долженность", это —работа "в смешанной зоне”; если мышечная работа максимальной интенсивности, но непродолжительная, то механизм окислительного фосфорилирования не успевает включаться. Работа идет исключительно за счет анаэробного гликолиза. После окончания максимальной нагрузки лактат поступает из крови в печень, где идут реакции глюконеогенеза, или лактат превращается в пируват, который дальше окисляется в митохондриях. Для окисления пирувата нужен кислород, поэтому после мышечной работы максимальной и субмак­ симальной интенсивности потребление кислорода мышечными клет­ ками повышено - возвращается кислородная задолженность (долг).

Существует наследственная предрасположенность к мышечной работе - у одних людей больше "быстрых" мышечных волокон - им рекомендуется заниматься теми видами спорта, где мышечная работа максимальной интенсивности, но кратковременная (тяжелая атлетика, бег на короткие дистанции и тому подобное). Люди, в мышцах кото­ рых больше "красных" ("медленных") мышечных волокон, наиболь­ ших успехов добиваются в тех видах спорта, где необходима длитель­

5 3 2

ная мышечная работа средней интенсивности, например, марафонский бег (дистанция 40 км). Для определения пригодности человека к опре­ деленному типу мышечных нагрузок используется пункционная био­ псия мышц.

В результате скоростных тренировок (bodybuilding) утолщаются миофибриллы, кровоснабжение возрастает, но непропорционально увеличению массы мышечных волокон, количество актина и миозина возрастает, увеличивается активность ферментов гликолиза и креатинфосфокиназы.

Более полезны для организма тренировки "на выносливость". При этом мышечная масса не увеличивается, но увеличивается количе­ ство миоглобина и митохондрий.

. .. Лекция 52

БИОХИМИЯ НЕРВНОЙ ТКАНИ 1. Возникновение и проведение нервного импульса

Нервные импульсы это электрические сигналы, создаваемые током ионов через плазматическую мембрану нейронов. В создании ( нервного импульса участвуют NатК+АТФаза, натриевые и калиевые каналы.

Иа+К+АТФаза выводит из клетки 3 иона Na и вводит 2 иона К+, это активный транспорт с затратой 1 мойекулы АТФ (движение против градиента концентрации - Na - снаружи, К - внутри).

Движение Na+ по натриевым и К+ по калиевым каналам происхо­ дит по градиенту концентрации.

1.1. Потенциал покоя

В состоянии покоя по разные стороны мембраны существует ’ разность потенциалов около 60-70 мв (отрицательный заряд внутри).

Причины возникновения потенциала покоя

Ионы К+ стремятся покинуть клетку (где их много), чтобы уров­ нять внешнюю и внутреннюю концентрации. В клетке остается избыток анионов (белки, нуклеиновые кислоты), которые не могут выходить на­ ружу. Это создает на внутренней поверхности мембраны отрицательный

:заряд. Ионы СГ стремятся проникнуть в клетку по градиенту концен­ трации.

5 3 3

Ионы Na двигаются внутрь клетки по градиенту концентрации но гораздо в меньших количествах, чем выводится К+, т.к. проницае­ мость мембраны для Na+ составляет 1/20 по сравнению с проницаемо­ стью для К+.

Вывод: в состоянии покоя ионы Na и К перемещаются по гради­ енту концентрации (К+ из клетки, Na - внутрь), причем Na в меньших количествах. Это создает потенциал покоя.

1.2. Потенциал действия

Возбуждение нерва временно вызывает резкое возрастание про­ водимости нервного волокна для К, Na. Сначала меняется проницае­ мость мембраны для Na, она возрастает в 100 раз, Na+ по своим кана­ лам движется в клетку. В результате потока Na внутри аксона проис­ ходит вначале деполяризация мембраны (заряд равен 0), а затем поля­ ризация, однако теперь внутри аксона положительный заряд, Na+- каналы спонтанно закрываются и открываются К+-каналы. К+ выходит из клетки и мембранный потенциал опять становится отрицательным. Ионные каналы остаются открытыми'непродолжительное время, после их закрытия № +К+АТФаза восстанавливает исходное распределение ионов по сторонам мембраны.

' ' Диффузия ионов из места возбуждения в соседние участки аксо­ на снижает там потенциал покоя и вызывает открытие Na-каналов, т.е. развитие потенциала действия. В безмиелиновых волокнах Na-каналы располагаются вдоль всего аксона равномерно, поэтому потенциал действия распространяется по аксону постепенно. В миелиновых во­ локнах Na-каналы сосредоточены в перехватах Ронвье, поэтому по­ тенциал действия перескакивает от перехвата к перехвату, вследствие чего импульс проводится быстрее и эффективнее.

2. Передача возбуждения в синапсах

Достигнув конца аксона, возбуждение передается другой клетке. Клетки разделены синаптической щелью. Синапс образован мембра­ нами контактирующих клеток. Передача возбуждения происходит с помощью медиаторов.

Каждый тип синапса использует только определенный тип ме­ диатора: холинэргические синапсы - ацетилхолин, адренэргические - катехоламины.

5 3 4

Строение холинэргического синапса

2.1. Холинэргическая передача

Ацетилхолин синтезируется вблизи пресинаптического оконча­ ния аксона (путем переноса ацетильной группы от ацетил-КоА на хо­ лин), фермент холинацетилтраисфераза.

Оо

ОН-СНг-СН2-^(С Ю )з + CHj-CHSKo^eHjC-C-CHj-CHj-N (СН3)з + HSKoA

Образовавшийся ацетилхолин попадает в синаптические пузырь­ ки. Его высвобождение из пузырьков происходит порциями в ответ на возбуждение, передаваемое от аксона.

После освобождения в щель ацетилхолин взаимодействует с ре­ цепторами на постсинаптической мембране.

Еще в 1953 г. Д. Нахманзон предположил, что этот рецептор представляет собой белок, который при взаимодействии с нейромедиа­ тором претерпевает конформационные изменения, ведущие к образо­ ванию трансмембранного ионного канала. Холинорецепторы подраз­ деляются на два типа: никотиновые и мускариновые. Никотиновые ре­ цепторы способны активироваться никотином и находятся в основном в месте контакта аксонов со скелетными мышцами, в то время как мускариновые рецепторы имеют высокое сродство к мускарину и со­ средоточены в мозге, секреторных клетках, гладких и сердечной мыш­ цах.

Связывание ацетилхолина с никотиновыми рецепторами приво­ дит к изменению конформации рецепторов, которое передается адени-

5 3 5

латциклазе, локализованной в постсинаптической мембране. Запуск аденилатциклазного механизма приводит к фосфорилированию белков натриевых и калиевых каналов и увеличению проницаемости мембра­ ны для Na+ и К+. Как следствие происходит деполяризация клеточной мембраны за счет быстрого входа ионов натрия, что в конечном итоге ведет к возбуждению мышечной клетки. Следовательно, биологиче­ ская функция никотинового ацетилхолинового рецептора заключается в изменении ионной проницаемости постсинаптической мембраны в ответ на связывание ацетилхолина. После этого ацетилхолин гидроли­ зуется ацетилхолинэстеразой до холина и рецептор переходит в исход­ ное состояние.

Ацетилхолиновый рецептор локализован в зоне синаптических контактов с очень высокой плотностью, превышающей 1 молекулу ре­ цептора на 100 нм2поверхности мембраны. Такая плотность позволяет секретируемым молекулам ацетилхолина вступать во взаимодействие с рецептором, избежав гидролиза ацетилхолинэстеразой.

Строение ацетилхолинового рецептора

В электрофизиологических экспериментах установлены основные параметры одиночного канала холинорецептора: его проводимость со­ ставляет 20 пСм (См - Сименс, единица измерения электропроводимо­ сти), а время жизни не превышается 1-3 мс. Канал проницаем для ионов натрия, калия, кальция и даже некоторых, органических катионов. С учетом размера последних полагают, что канал представляет собой по­ ру, размеры которой в самой узкой части должны быть не мене 0,65x0,65 нм.

Согласно существующим моделям функционирования канала ацетилхолинового рецептора, рецептор может находится в трех со­ стоящих: покоя, открытом (активированном) и десенсити-зированном-

5 3 6

дктивация канала достигается взаимодействием с ацетилхолином и является быстрым процессом, протекающим в миллисекундном диапа­ зоне. В десенситизированном состоянии медиатор все еще связан с ре­ цептором, но канал уже закрыт. Переход из одного состояния в другое, по-видимому, сопровождается существенными конформационными изменениями субъединиц белкового комплекса. Ацетилхолиновый ре­ цептор никотинового типа представляет собой трансмембранный ком­ плекс пяти гликопротеинов, образующий хемовозбудимый ионный ка­ нал. В отсутствие ацетилхолина канал находится в закрытом состоя­ нии. При связывании с ацетилхолином канал на короткое время откры­ вается для прохождения через него ионов натрия и калия, а затем пере­ ходит в десенситизированное состояние.

После диссоциации ацетилхолина из комплекса рецептором он разрушается под действием ацетилхолйнэстеразы. Ацетилхолинэстераза связана с наружной стороной постсинаптической мембраны. В среднем на каждый ацетилхолиновый рецептор приходится 1 молекула фермента.

НзС-С-аСНг-СН^СЩ з+НзО H3C-C-OH4<)№CHr a i r N+(CH3}3

ацетат холин

Нарушение холинэргической передачи

При заболевании миастения в крови находят антитела против собственных рецепторов ацетилхолина, что приводит к нарушению нейромышечной передачи, что проявляется мышечной слабостью (ши­ рокий зрачок, расслабление мышц). Лекарственные препараты (неостигмин, эзерин) ингибируют ацетилхолинэстеразу, тем самым они уси­ ливают действие ацетилхолина. Еще более мощными ингибиторами фермента являются органические фторфосфаты. Они образуют проч­ ную связь с ацетилхолинэстеразой и вызывают смерть от остановки дыхания. Это нервнопаралитические яды —табун, зарин. •

5 3 7

Д о с л о в н о « зо м б и » о зн а ч а е т « ж и во й м е р т в е ц » . П о н я т и е эт о

в а е м у ю « п у д р у зо м б и » . О с н о вн ы м к о м п о н ен т о м дл я ее п р и го т о вл ен и я

е го к ж и зн и . Т ак он с т а н о ви т ся « зо м б и » . О с о зн а н и е с в о е г о « я » во з­ в р а щ а е т с я к н е м у н е п о л н о ст ью или не в о зв р а щ а е т с я во в с е , о ст а ю т ся ж и во т н ы е ин ст ин кт ы , он л е гк о вн уш аем .

2.2. Адреиэргическая передача

Медиаторами адренэргической передачи являются катехола­ мины - норадреналин, адреналин, дофамин. Механизм их синтеза в нервной системе такой же, как и в мозговом веществе надпочечников. Норадреналин встречается в основном в симпатической нервной сис­ теме, в стволе мозга и в гипоталамусе. Дофамин обнаруживается в по­ лосатом теле и в базальных ганглиях. В адренэргических синапсах нет систем, разрушающих медиаторы в синаптической щели. Вместо этого на пресинаптической мембране есть рецепторы для медиатора, взаи­ модействие с ними прекращает освобождение в щель новых порций

5 3 8

Гмедиатора. Кроме этого, в синаптической щели есть специальная транспортная система для выкачивания медиатора из синапса.

Реабсорбированный норадреналин либо вновь повторно исполь­ зуется, либо инактивируется ферментами МАО, метилированием.

Снарушением дофаминэргической передачи связана болезнь

Паркинсона. У больных отмечается ригидность мышц, маскообразное лицо, задержка начала движений. Концентрация дофамина в хвостатом ядре и скорлупе снижена. При шизофрении высказано предположение об избыточной дофаминэргической передаче. Известно, что все лекар­ ства, которые являются эффективными при шизофрении, вызывают блокаду дофаминовых рецепторов. Отсюда побочное действие этих препаратов: возникновение симптомов, характерных для болезни Пар­ кинсона.

Главным тормозным медиатором в нервной системе является гамма-аминомасляная кислота ^ГАМК). ГАМК увеличивает прони­ цаемость постсинаптических мембран для К+. В результате отдаляется мембранный потенциал от порогового уровне, при котором возникает потенциал действия. Инактивация ГАМК осуществляется путем

5 3 9

трансминирования.

Глицин —тормозной медиатор в спинном мозге и в большинстве структур ствола мозга. Торможение осуществляется в результате по­ вышения проводимости постсинаптической мембраны для СГ, qTo приводит к ее гиперполяризации.

'Соединения, оказывающие влияние на синаптическую

Эндорфины - это родовое название эндогенных опиоидных пеп­ тидов. Эти пептиды назвали опиоидными из-за способности связы­ ваться с теми же рецепторами, которые связывают морфин и др. опиа­ ты. Первыми были открыты два пентапептида, названные энкефашшами: мет-энкефалин и лей-энкефалин (остальные 4 аминокислоты оди­ наковые). Они, по-видимому, участвуют в интеграции сенсорной ин­ формации, имеющей отношение к боли.

Вгипоталамусе позже были обнаружены более длинные пептиды

а-, Р-, у-эвдорфины, которые оказались в 12-100 раз активнее энкефалинов. Эти пептиды участвуют в регуляции эмоциональных ответов, вырабатываются также при мышечной работе.

Имеющиеся данные позволяют предполагать, что эндорфины и энкефалины могут синтезироваться в нервной ткани, в надпочечниках.

Особый интерес к этим соединениям связан с надеждой найти анальге­ тики, к которым не возникает привыкания.

Энкефалины играют важную роль в регуляции функционального состояния ЦНС, сердечно-сосудистой системы, пищеварительной и других. Энкефалины оказывают гепатопротекторное действие. При действии энкефалинов секреторная функция печени, желудка, подже‘ лудочной железы, как правило, снижается, поэтому можно полагать, что физиологическая роль энкефалинов, находящихся в крови, заклю­ чается в угнетении секреторной активности регулируемых органов.

5 4 0