14. Энзимодиагностика заболеваний. Изоферменты. Диагностическое значение определения изоферментов (лдг, креатинкиназа). Энзимотерапия. Виды энзимопатий..

ЭнзимодиагностикаЭнзимодиагностика заключается в постановке диагноза заболевания (или синдрома) на основе определения активности ферментов в биологических жидкостях человека. Принципы энзимодиагностики основаны на следующих позициях:

• при повреждении клеток в крови или других биологических жидкостях (например, в моче) увеличивается концентрация внутриклеточных ферментов повреждённых клеток;

• количество высвобождаемого фермента достаточно для его обнаружения;

• активность ферментов в биологических жидкостях, обнаруживаемых при повреждении клеток, стабильна в течение достаточно длительного времени И отличается от нормальных значений;

• ряд ферментов имеет преимущественную или абсолютную локализацию в определённых органах (органоспецифичность);

• существуют различия во внутриклеточной локализации ряда ферментов.

Причины приводящие к увеличению количества ферментов в крови. При многих заболеваниях происходит повреждение клеток, и их содержимое, в том числе и ферменты, высвобождаются в кровь. К причинам, вызывающим высвобождение внутриклеточного содержимого в кровь, относят нарушение проницаемости мембраны клеток (при воспалительных процессах) или нарушение целостности клеток (при некрозе). Определение в крови активности ряда ферментов хорошо налажено в биохимических лабораториях, что используют для диагностики заболеваний сердца, печени, скелетной мускулатуры и других тканей. Уровень активности ферментов в плазме коррелирует со степенью повреждения клеток.Для энзимодиагностики имеют большое значение знания о субклеточной локализации ферментов. Так, появление в плазме крови ферментов, имеющих только цитозольную локализацию, свидетельствует о воспалительном процессе; при обнаружении митохондриальных или ядерных ферментов можно говорить о более глубоких повреждениях клетки, например о некрозе.Однако повышение концентрации ферментов не всегда связано с повреждением тканей. При избыточной клеточной пролиферации, например при онкопролиферативных процессах, при повышенной скорости синтеза некоторых ферментов в клетках или при нарушенном клиренсе (способности вьпюдиться почками) наблюдают повышение концентрации в крови определённых ферментов.

 Изоферменты. Ферменты, катализирующие одну и ту же химическую реакцию, но отличающиеся по первичной структуре белка, называют изоферментами. Они катализируют один и тот же тип реакции с принципиально одинаковым механизмом, но отличаются друг от друга кинетическими параметрами, условиями активации, особенностями связи апофермента и кофермента. Природа появления изоферментов разнообразна, но чаще всего обусловлена различиями в структуре генов, кодирующих эти изоферменты. Следовательно, изоферменты различаются по первичной структуре белковой молекулы и, соответственно, по физико-химическим свойствам. На различиях в физико-химических свойствах основаны методы определения изоферментов.По своей структуре изоферменты в основном являются олигомерными белками.Изоформы лактатдегидрогеназы. Фермент лактатдегидрогеназа (ЛДГ) катализирует обратимую реакцию окисления лактата (молочной кислоты) до пирувата (пировиноградной кислоты) (см. раздел 7).

Лактатдегидрогеназа - олигомерный белок с молекулярной массой 134 000 Д, состоящий из 4 субъединиц 2 типов: М (от англ, muscle - мышца) и Н (от англ, heart - сердце). Комбинация этих субъединиц лежит в основе формирования 5 изоформ лактатдегидрогеназы (рис. 2-35, А). ЛДГ₁ и ЛДГ₂ наиболее активны в сердечной мышце и почках, ЛДГ4 и ЛДГ5 - в скелетных мышцах и печени. В остальных тканях имеются различные формы этого фермента.Изоформы ЛДГ отличаются электрофоретической подвижностью, что позволяет устанавливать тканевую принадлежность изоформ ЛДГ 

И зоформы креатинкиназы. Креатинкиназа (КК) катализирует реакцию образования креатинфосфата:

М олекула КК - димер, состоящий из субъединиц двух типов: М (от англ, muscle - мышца) и В (от англ, brain - мозг). Из этих субъединиц образуются 3 изофермента - ВВ, MB, MM. Изофермент ВВ находится преимущественно в головном мозге, ММ - в скелетных мышцах и MB - в сердечной мышце. Изоформы КК имеют разную электрофоретическую подвижность (рис. 2-36).Активность КК в норме не должна превышать 90 МЕ/л. Определение активности КК в плазме крови имеет диагностическое значение при инфаркте миокарда (происходит повышение уровня МВ-изоформы). Количество изоформы ММ может повышаться при травмах и повреждениях скелетных мышц. Изоформа ВВ не может проникнуть через гематоэнцефалический барьер, поэтому в крови практически не определяется даже при инсультах и диагностического значения не имеет.

Энзимотерапия: Использование ферментов в качестве терапевтических средств имеет много ограничений вследствие их высокой иммуногениости. Тем не менее энзимотерапию активно развивают в следующих направлениях:

• заместительная терапия - использование ферментов в случае их недостаточности;

• элементы комплексной терапии - применение ферментов в сочетании с другой терапией.

Заместительная энзимотерапия эффективна при желудочно-кишечных заболеваниях, связанных с недостаточностью секреции пищеварительных соков. Например, пепсин используют при ахилии, гипо- и анацидных гастритах. Дефицит панкреатических ферментов также в значительной степени может быть компенсирован приёмом внутрь препаратов, содержащих основные ферменты поджелудочной железы (фестал, энзистал, мезим-форте и др.).

В качестве дополнительных терапевтических средств ферменты используют при ряде заболеваний. Протеолитические ферменты (трипсин, химотрипсин) применяют при местном воздействии для обработки гнойных ран с целью расщепления белков погибших клеток, для удаления сгустков крови или вязких секретов при воспалительных заболеваниях дыхательных путей. Ферментные препараты рибонуклеазу и дезоксирибонуклеазу используют в качестве противовирусных препаратов при лечении аденовирусных конъюнктивитов, герпетических кератитов.Ферментные препараты стали широко применять при тромбозах и тромбоэмболиях. С этой целью используют препараты фибринолизина, стрептолиазы, стрептодеказы, урокиназы.Фермент гиалуронидазу (лидазу), катализирующий расщепление гиалуроновой кислоты, используют подкожно и внутримышечно для рассасывания контрактур рубцов после ожогов и операций (гиалуроновая кислота образует сшивки в соединительной ткани)

классификацию энзимопатий:

1. Наследственные энзимопатии, связанные: а)с полным выпадением синтеза какого-либо фермента;  б) с конституциональной слабостью отдельных звеньев ферментных процессов.

2.Токсическая энзимопатия, обусловленные:  а)избирательным угнетением активности отдельных ферментов;  б)специфическим угнетением биосинтеза ферментов;  в) неспецифическим угнетением биосинтеза белка.

3.Алиментарные энзимопатии, вызванные:  а)дефицитомвитаминов;  б)дефицитомбелка;  в)дефицитоммикроэлементов;  г) разбалансированностью рационов питания.

4. Энзимопатия, вызванная нарушением нейрогуморальной регуляции.

5. Энзимопатии, связанные с нарушением внутриклеточной организации ферментных процессов.

6. Прочие патологические процессы.

15. Обмен веществ: питание, метаболизм и выделение продуктов метаболизма. Основные пищевые вещества: углеводы, жиры, белки; суточная потребность.. Незаменимые компоненты основных пищевых веществ. Незаменимые аминокислоты; пищевая ценность разных белков. Незаменимые жирные кислоты.

Обмен веществ, или метаболизм, - это совокупность химических реакций в организме, которые обеспечивают его веществами и энергией, необходимыми для жизнедеятельности: самосохранения и самовоспроизведения.

• внешний обмен - включает внеклеточное превращение веществ на путях их поступления в организм и выведения продуктов метаболизма из него [показать] .

• промежуточный обмен - включает превращение веществ внутри биологических клеток с момента их поступления до образования конечных продуктов (например, метаболизм аминокислот,метаболизм углеводов и т.д.)

Этапы обмена веществ. Выделяют три последовательных этапа.

I. поступление веществ из среды в организм (в результате питания, дыхания), их переваривание - приведение к состоянию, в котором они могут проникнуть во внутреннюю среду и, собственно всасывание

II. перемещения и превращения, которым подвергаются всосавшиеся вещества в толще слизистой тонкого кишечника или после транспортировки в ткани. Данный этап нередко обозначали как промежуточный обмен, а в последнее время именно этот этап называют метаболизмом.

Это наиболее сложная часть обмена веществ, которая включает молекулярные процессы, представляющие физико-химические взаимодействия на основе комплементарных поверхностей (центров связывания) [показать] .

III. выделение конечных продуктов обмена.

Метаболический путь - это характер и последовательность химических превращений конкретного вещества в организме. Промежуточные продукты, образующиеся в процессе превращения, называют метаболиты, а последнее соединение метаболического пути - конечный продукт.

Различают два направления в метаболическом пути

• Анаболические реакции направлены на превращение более простых веществ в более сложные, образующие структурно-функциональные компоненты клетки, такие, как коферменты, гормоны, белки, нуклеиновые кислоты и др. Эти реакции преимущественно восстановительные, сопровождаются затратой свободной химической энергии (эндергонические реакции). Источником энергии для них служит процесс катаболизма. Кроме того, энергия катаболизма используется для обеспечения функциональной активности клетки (двигательной и других).

• Катаболические превращения - процессы расщепления сложных молекул, как поступивших с пищей, так и входящих в состав клетки, - до простых компонентов (диоксида углерода и воды); эти реакции обычно окислительные, сопровождаются выделением свободной энергии (экзергонические реакции).

Белки: общая суточная потребность 80-100гр из них половина должна быть животного происхождения. Любые пищевые белки сравниваются по составу аминокислот с эталоном (в качестве эталона – белок куриного яйца, наиболее отвечающий физиологическим потребностям организма). Углеводы: биологическую ценность имеют полисахариды (крахмал гликоген), дисахариды (сахароза, лактоза, мальтоза). Основная функция углеводов – энергетическая, но они выполняют структурные и др. функции. Суточная потребность 400-500 гр. из них 400 приходится на крахмал. Жиры: суточная потребность 80-100 гр. из них 20-25 гр. растительные. С жирами пищи поступают не заменимые для организма жирорастворимые витамины и витаминоподобные соединения. Вода относится к незаменимым компонентам пищи, хотя небольшие количества воды образуются из белков, жиров и углеводов при обмене их с тканями. Суточная потребность 1750-2200 гр. Пищевые вещества могут быть заменимыми и не заменимыми. К не заменимым относятся все минеральные соединения, витамины, некоторые аминокислоты

Незаменимые жирные кислоты

• α-линоленовая кислота (омега-3 жирная кислота с кратчайшей цепочкой), CH₃(CH₂CH=CH)₃(CH₂)₇COOH

• линолевая кислота (омега-6 жирная кислота с кратчайшей цепочкой). CH₃(CH₂)₃-(CH₂CH=CH)₂(CH₂)₇COOH. (из растит масел)

Незаменимые аминокислоты для взрослых людей

• изолейцин,

• лизин,

• лейцин,

• метионин,

• фенилаланин,

• треонин,

• триптофан,

• валин.

Незаменимые аминокислоты для детей, но не для взрослых

• гистидин,

• аргинин.

16. Витамины. Классификация, функции водо- и жирорастворимых витаминов. Алиментарные и вторичные авитаминозы и гиповитаминозы. Гипервитаминозы.

Витамины — это необходимые нашему организму органические вещества, которые не могут синтезироваться им самим (за редким исключением) и поступают с пищей.Водорастворимые витамины при их избыточном поступлении в организм, будучи хорошо растворимыми в воде, быстро выводятся из организма.Жирорастворимые витамины хорошо растворимы в жирах и легко накапливаются в организме при их избыточном поступлении с пищей. Их накопление в организме может вызвать расстройство обиена веществ, называемое гипервитаминозом, и даже гибель организма.

А. Водорастворимые

• Витамин В1 (тиамин); оболочка семян хлебных злаков и риса, горох, фасоль, соя.

• Витамин В2 (рибофлавин); печень, почки, яйца, молоко, дрожжи. Витамин содержится также в шпинате, пшенице, ржи. Частично человек получает витамин В₂ как продукт жизнедеятельности кишечной микрофлоры

• Витамин РР (никотиновая кислота, никотинамид, витамин В3); Витамин РР широко распространён в растительных продуктах, высоко его содержание в рисовых и пшеничных отрубях, дрожжах, много витамина в печени и почках крупного рогатого скота и свиней. Витамин РР может образовываться из триптофана (из 60 молекул триптофана может образоваться 1 молекула никотинамида), что снижает потребность в витамине РР при увеличении количества триптофана в пище.

• Пантотеновая кислота (витамин В5); содержится во многих продуктах животного и растительного происхождения (яйцо, печень, мясо, рыба, молоко, дрожжи, картофель, морковь, пшеница, яблоки). В кишечнике человека пантотеновая кислота в небольших количествах продуцируется кишечной палочкой

• Витамин В6 (пиридоксин); как яйца, печень, молоко, зеленый перец, морковь, пшеница, дрожжи. Некоторое количество витамина синтезируется кишечной флорой.

• Биотин (витамин Н);  Биотин содержится почти во всех продуктах животного и растительного происхождения. Наиболее богаты этим витамином печень, почки, молоко, желток яйца. В обычных условиях человек получает достаточное количество биотина в результате бактериального синтеза в кишечнике.

• Фолиевая кислота (витамин Вс, В9); Значительное количество этого витамина содержится в дрожжах, а также в печени, почках, мясе и других продуктах животного происхождения.

• Витамин В12 (кобаламин); Ни животные, ни растения не способны синтезировать витамин В₁₂. Это единственный витамин, синтезируемый почти исключительно микроорганизмами: бактериями, актиномицетами и сине-зелёными водорослями. Из животных тканей наиболее богаты витамином В₁₂ печень и почки. Недостаточность витамина в тканях животных связана с нарушением всасывания кобала-мина из-за нарушения синтеза внутреннего фактора Касла, в соединении с которым он и всасывается. Фактор Касла синтезируется обкладочными клетками желудка. Это - гликопротеин с молекулярной массой 93 000 Д. Он соединяется с витамином В]2 при участии ионов кальция.

• Витамин С (аскорбиновая кислота)  свежие фрукты, овощи, зелень;

• Витамин Р (биофлавоноиды) лимоны, гречиха, черноплодная рябина, чёрная смородина, листья чая, плоды шиповника..

Б. Жирорастворимые

• Витамин А (ретинол); Витамин А содержится только в животных продуктах: печени крупного рогатого скота и свиней, яичном желтке, молочных продуктах; особенно богат этим витамином рыбий жир. В растительных продуктах (морковь, томаты, перец, салат и др.) содержатся каротиноиды, являющиеся провитаминами А.

• Витамин D3 (холекальциферол); Наибольшее количество витамина D₃ содержится в продуктах животного происхождения: сливочном масле, желтке яиц, рыбьем жире.

• Витамин Е (токоферол); растительные масла, салат, капуста, семена злаков, сливочное масло, яичный желток

• Витамин К (филлохинон).  растительные (капуста, шпинат, корнеплоды и фрукты) и животные (печень) продукты. Кроме того, он синтезируется микрофлорой кишечника. 

Название	Суточная потребность, мг	Коферментная форма	Биологические функции		Характерные признаки авитаминозов
В1 (тиамин)	2-3	ТДФ	Декарбоксилирование а-кетокислот, перенос активного альдегида (транскетолаза)		Полиневрит
В2 (рибофлавин)	1,8-2,6	FAD FMN	В составе дыхательных ферментов, перенос водорода		Поражение глаз (кератиты, катаракта)
B5 (пантотеновая кислота)	10-12	KoA-SH	Транспорт ацильных групп		Дистрофические изменения в надпочечниках и нервной ткани
В6 (пиридоксин)	2-3	ПФ (пиридоксальфосфат)	Обмен аминокислот (трансаминирование, декарбоксилирование)		Повышенная возбудимость нервной системы, дерматиты
PP (ниацин)	15-25	NAD NADP	Акцепторы и переносчики водорода		Симметричный дерматит на открытых участках тела, деменция и диарея
Н (биотин)	0,01-0,02	Биотин	Фиксация СО2, реакции карбоксилирования (например, пирувата и ацетил-КоА)		Дерматиты, сопровождающиеся усиленной деятельностью сальных желёз
Вc (фолиевая кислота)	0,05-0,4	Тетрагидро-фолиевая кислота	Транспорт одноуглеродных групп		Нарушения кроветворения (анемия, лейкопении)
В12 (кобаламин)	0,001-0,002	Дезоксиаденозил-и метилкобаламин	Транспорт метальных групп		Макроцитарная анемия
С (аскорбиновая кислота)	50-75		Гидроксилирование пролина, лизина (синтез коллагена), антиоксидант		Кровоточивость дёсен, расшатывание зубов, подкожные кровоизлияния, отёки
Р (рутин)	Не установлена		Вместе с витамином С участвует в окислительно-восстановительных процессах, тормозит действие гиалуронидазы		Кровоточивость дёсен и точечные кровоизлияния
Название	Суточная потребность, мг	Биологические функции		Характерные признаки авитаминозов
А (ретинол)	1-2,5	Участвует в акте зрения, регулирует рост и дифференцировку клеток		Гемералопия (куриная слепота), ксерофтальмия, кератомаляция, кератоз эпителиальных клеток
D (кальциферол)	0,012-0,025	Регуляция обмена фосфора и кальция в организме		Рахит
Е (токоферол)	5	Антиоксидант; регулирует интенсивность свободнорадикальных реакций в клетке		Недостаточно изучены; известно положительное влияние на развитие беременности и при лечении бесплодия
К (нафтохинон)	1-2	Участвует в активации факторов свёртывания крови: II, VII, IX, XI		Нарушение свёртывающей системы крови

Витаминная недостаточность возникает при дефиците витаминов в пище или если поступающие с пищей витамины не всасываются из кишечника, не усваиваются или разрушаются в организме, при этом нарушения обмена веществ и клинические проявления имеют различную степень выраженности. Под авитаминозами понимают полное истощение запасов витаминов в организме; при гиповитаминозах отмечается снижение обеспеченности организма одним или несколькими (полигиповитаминозы) витаминами. Авитаминозы имеют характерную клиническую картину: авитаминоз витамина С — цинга; витамина D — рахит; тиамина — бери-бери и т. д. В нашей стране алиментарные авитаминозы встречаются редко, но гиповитаминозы распространены. Гиповитаминозы обычно не имеют четкой клинической картины и характеризуются пестротой проявлений, обусловленных нарушением обмена веществ и функцией отдельных органов и систем (снижение умственной и физической работоспособности, сопротивляемости инфекциям, вялость, раздражительность, головные боли, ухудшение сна и аппетита и т. д.). Это не значит, что при гиповитаминозах нет специфических симптомов недостаточности отдельных витаминов. Например, при А -гиповитаминозе отмечается ухудшение зрения в сумерках, при С-гиповитаминозе — рыхлость и кровоточивость десен, при недостаточности витаминов В₂ и В₆ — поражение губ, углов рта, языка, кожи. Причины витаминной недостаточности организма многообразны, но можно выделить две главные группы факторов: 1) алиментарные, ведущие к возникновению первичных гипо- и авитаминозов; 2) заболевания, ведущие к развитию вторичных гипо- и авитаминозов. Это деление условно, так как нередки сочетания указанных факторов (смешанные формы). Например, при заболеваниях органов пищеварения гиповитаминозы возникают от нарушения усвоения витаминов и возможного их дефицита в некоторых строгих диетах.

Причины алиментарной витаминной недостаточности: неправильное по продуктовому набору питание. сезонные колебания содержания витаминов в пищевых продуктах. неправильное хранение и кулинарная обработка продуктов ведут к значительным потерям витаминов, особенно С, А, В, фолата;несбалансированное питание. повышенная потребность организма в витаминах, вызванная особенностями труда, климата, беременностью, кормлению грудью. В этих случаях нормальное для обычных условий содержание витаминов в пище оказывается малым. В условиях очень холодного климата потребность в витаминах повышается на 30—50 %. Обильное потоотделение (работа в горячих цехах, глубоких шахтах и т. д.

Причинами вторичной витаминной недостаточности являются различные заболевания. При болезнях органов пищеварения, особенно кишечника, происходит частичное разрушение витаминов, нарушение их всасывания, уменьшение образования некоторых витаминов микрофлорой кишечника. Усвоение витаминов страдает при глистных заболеваниях. При болезнях печени нарушаются внутренние превращения витаминов, их переход в активные формы. При заболеваниях пищеварительной системы чаще возникает недостаточность многих витаминов, хотя возможен дефицит одного из них, например витамина B₁₂ при тяжелом поражении желудка. Усиленный расход витаминов при острых и хронических инфекциях, хирургических вмешательствах, ожоговой болезни и многих других заболеваниях может привести к витаминной недостаточности. Гѝпервитамино́з — острое расстройство в результате интоксикации сверхвысокой дозой одного или нескольких витаминов (содержащихся в пище или витаминсодержащих препаратах).

17. Витамин С (аскорбиновая кислота). Структура, суточная потребность, пищевые источники, авитаминоз. Участие в окислительно-восстановительных процессах, стероидогенезе и образовании коллагена. Реакции гидроксилирования пролина и лизина. Аскорбиновая кислота - лактон кислоты, близкой по структуре к глюкозе. Существует в двух формах: восстановленной (АК) и окисленной (дегидроаскорбиновой кислотой, ДАК).

Главное свойство аскорбиновой кислоты - способность легко окисляться и восстанавливаться. Вместе с ДАК она образует в клетках окислительно-восстановительную пару. Обе эти формы аскорбиновой кислоты быстро и обратимо переходят друг в друга и в качестве коферментов участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. Аскорбиновая кислота может окисляться кислородом воздуха, пероксидом и другими окислителями. ДАК легко восстанавливается цистеином, глутатионом, сероводородом. В слабощелочной среде происходят разрушение лактонового кольца и потеря биологической активности. При кулинарной обработке пищи в присутствии окислителей часть витамина С разрушается.

• Источники витамина С - свежие фрукты, овощи, зелень (табл. 3-1).

• Суточная потребность человека в витамине С составляет 50-75 мг.

• Биологические функции. Главное свойство аскорбиновой кислоты - способность легко

В кишечнике аскорбиновая кислота восстанавливает Fe3+в Fe2+, способствуя его всасыванию, ускоряет освобождение железа из ферритина способствуя его всасыванию, ускоряет освобождение железа из ферритина , способствует превращению фолата в коферментные формы.

Аскорбиновую кислоту относят к природным антиоксидантам.

 Недостаточность аскорбиновой кислоты приводит к заболеванию, называемому цингой (скорбут). Цинга, возникающая у человека при недостаточном содержании в пищевом рационе свежих фруктов и овощей. Главные проявления авитаминоза обусловлены в основном нарушением образования коллагена в соединительной ткани. Вследствие этого наблюдают разрыхление дёсен, расшатывание зубов, нарушение целостности капилляров (сопровождающееся подкожными кровоизлияниями). Возникают отёки, боль в суставах, анемия. Анемия при цинге может быть связана с нарушением способности использовать запасы железа, а также с нарушениями метаболизма фолиевой кислоты.

Посттрансляционные модификации коллагена

Гидроксилирование пролина и лизина начинается в период трансляции коллагеновой мРНК на рибосомах и продолжается на растущей полипептидной цепи вплоть до её отделения от рибосом. После образования тройной спирали дальнейшее гидроксилирование пролиловых и лизиловых остатков прекращается.

Реакции гидроксилирования катализируют оксигеназы, связанные с мембранами микросом. Пролиловые и лизиловые остатки подвергаются действию, соответственно, пролилгидроксилазы и лизилгидроксилазы. Необходимыми компонентами этой реакции являются оскетоглутарат, О2 и витамин С (аскорбиновая кислота). Донором атома кислорода, который присоединяется к С-4 пролина, является молекула О2, второй атом О2 включается в сукцинат, который образуется при декарбоксилировании α-кетоглутарата, а из карбоксильной группы а-кетоглутарата образуется СО2

Гидроксилазы пролина и лизина содержат в активном центре атом железа Fe2+. Для сохранения атома железа в ферроформе необходим восстанавливающий агент. Роль этого агента выполняет кофермент гидроксилаз - аскорбиновая кислота, которая легко окисляется в дегидроаскорбиновую кислоту. Обратное превращение происходит в ферментативном процессе за счёт восстановленного глутатиона

Гидроксилирование пролина необходимо для стабилизации тройной спирали коллагена, ОН-группы гидроксипролина (Hyp) участвуют в образовании водородных связей. А гидроксилирование лизина очень важно для последующего образования ковалентных связей между молекулами коллагена при сборке коллагеновых фибрилл. При цинге - заболевании, вызванном недостатком витамина С, нарушается гидроксилирование остатков пролина и лизина.

18.Взаимосвязь обмена веществ и энергии. Экзергонические и эндергонические реакции в клетке. Типы макроэргических соединений (фосфатные, тиосульфатные). Строение АТФ, цикл АТФ\АДФ. Этапы унификации энергетических субстратов в организме: продукты, энергетическая ценность

через организм человека постоянно идет поток вещества и заключенной в нем энергии. Этот непрерывный поток является одним из важнейших свойств живых организмов и называется обмен веществ и энергии, или метаболизм. Вещество, поступающее в организм, заключает в себе химическую энергию (энергия внутримолекулярных химических связей). Эта энергия преобразуется в организме в химическую энергию других соединений, а также в тепловую, механическую и электрическую. Электрической энергии в организме вырабатывается немного, но она важна для деятельности нервной и мышечной систем.

Обмен веществ – это единый процесс, осуществляющийся на уровне целостного организма, он складывается из метаболических процессов, происходящих в каждой отдельной клетке. Сутью метаболизма является все многообразие превращений веществ в организме, которые происходят либо с затратой, либо с освобождением энергии. Поэтому общий процесс метаболизма имеет две стороны, неразрывно связанные между собой:

Анаболизм (ассимиляция, пластический обмен) - это совокупность реакций синтеза, протекающих в клетках. При этом из более простых веществ синтезируются более сложные вещества. Реакции анаболизма идут с затратой энергии. Основным источником энергии для реакций анаболизма является АТФ. Примером таких реакций является биосинтез белка, протекающий во всех клетках.

Катаболизм (диссимиляция, энергетический обмен) - это совокупность реакций расщепления и распада более сложных органических веществ до более простых, вплоть до углекислого газа и воды. Эти реакции идут с освобождением энергии, примерно половина которой превращается в тепловую и тратится на поддержание температуры тела, а вторая половина энергии запасается в виде макроэргических связей в молекулах АТФ, которая используется в реакциях синтеза.

Обмен веществ происходит между клетками организма и межклеточной жидкостью, постоянство состава которой поддерживается кровообращением: за время прохождения крови в капиллярах через проницаемые стенки капилляров плазма крови 40 раз полностью обновляется с интерстициальной жидкостью. Серии химических реакций обмена веществ называют метаболическими путями, в них при участии ферментов одни биологически значимые молекулы последовательно превращаются в другие. Ферменты играют важную роль в метаболических процессах потому, что:

-действуют как биологические катализаторы и снижают энергию активации химической реакции;

-позволяют регулировать метаболические пути в ответ на изменения среды клетки или сигналы от других клеток.

Взаимосвязь процессов катаболизма и анаболизма основывается на единстве биохимических превращений, обеспечивающих энергией все процессы жизнедеятельности и постоянное обновление тканей организма. Сопряжение анаболических и катаболических процессов в организме могут осуществлять различные вещества, но главную роль в этом сопряжении играют АТФ, НАДФ • Н. В отличие от других посредников метаболических превращений АТФ циклически рефосфорилируется, а НАДФ • Н — восстанавливается, что обеспечивает непрерывность процессов катаболизма и анаболизма. Обеспечение энергией процессов жизнедеятельности осуществляется за счет анаэробного (бескислородного) и аэробного (с использованием кислорода) катаболизма поступающих в организм с пищей белков, жиров и углеводов. В ходе анаэробного расщепления глюкозы (гликолиза) или ее резервного субстрата гликогена (гликогенолиза) превращение 1 моля глюкозы в 2 моля лактата приводит к образованию 2 молей АТФ. Лактат — промежуточный продукт обмена. В химических связях его молекулы аккумулировано значительное количество энергии. Энергии, образующейся в ходе анаэробного обмена, недостаточно для осуществления процессов жизнедеятельности животных организмов. За счет анаэробного гликолиза могут удовлетворяться лишь относительно кратковременные энергетические потребности клетки.

В организме животных и человека в процессе аэробного обмена органические вещества, в том числе продукты анаэробного обмена, окисляются до конечных продуктов — С02 и Н20. Общее количество молекул АТФ, образующихся при окислении 1 моля глюкозы до С02 и Н20, составляет 25,5 моля. При окислении молекулы жиров образуется большее количество молей АТФ, чем при окислении молекулы углеводов. Так, при окислении 1 моля пальмитиновой кислоты образуется 91,8 моля АТФ. Количество молей АТФ, образующихся при полном окислении аминокислот и углеводов, примерно одинаково. АТФ играет в организме роль внутренней «энергетической валюты» и аккумулятора химической энергии клеток. Основным источником энергии восстановления для реакции биосинтеза жирных кислот, холестерина, аминокислот, стероидных гормонов, предшественников синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот является НАДФ • Н. Образование этого вещества осуществляется в цитоплазме клетки в процессе фосфоглюконатного пути катаболизма глюкозы. При таком расщеплении из 1 моля глюкозы образуется 12 молей НАДФ • Н. Процессы анаболизма и катаболизма находятся в организме в состоянии динамического равновесия или временного превалирования одного из них. Преобладание анаболических процессов над катаболическими приводит к росту, накоплению массы тканей, а катаболических — к частичному разрушению тканевых структур, выделению энергии. Состояние равновесного или неравновесного соотношения анаболизма и катаболизма зависит от возраста. В детском возрасте преобладают процессы анаболизма, а в старческом — катаболизма. У взрослых людей эти процессы находятся в равновесии. Их соотношение зависит также от состояния здоровья, выполняемой человеком физической или психоэмоциональной деятельности.

Каждое органическое соединение, поступающее в организм извне или входящее в состав живой материи, обладает определённым запасом внутренней энергии (Е). Часть этой внутренней энергии может быть использована для совершения полезной работы. Такую энергию системы называют свободной энергией (G).При постоянных температуре и давлении соотношение между изменением свободной энергии системы (ΔG) и изменением энтропии (ΔS) можно представить следующим уравнением:ΔG = ΔН - T×S, где ΔН - изменение энтальпии (внутренней энергии или теплоты, содержащейсяв системе); Т - абсолютная температура. В условиях, при которых протекают биохимические реакции,

ΔН приблизительно равно ΔЕ (изменению внутренней энергии системы в результате реакции). Для биологических систем измерение свободной энергии производят обычно при стандартных условиях, когда рН 7,0, температура 25 °С, все растворы находятся в концентрации Г моль/л, а все газы при давлении в 1 атм.

Эндергонические и экзергонические реакции.Направление химической реакции определяется значением ΔG. Если эта величина отрицательна, то реакция протекает самопроизвольно и сопровождается уменьшением свободной энергии. Такие реакции называют экзергоническими. Если при этом абсолютное значение ΔG велико, то реакция идёт практически до конца, и её можно рассматривать как необратимую.Если ΔG положительно, то реакция будет протекать только при поступлении свободной энергии извне; такие реакции называют эндергоническими.Если абсолютное значение ΔG велико, то система устойчива, и реакция в таком случае практически не осуществляется. При ΔG, равном нулю, система находится в равновесии.

У человека и животных главными макроэргическими соединениями являются фосфор-и серосодержащие соединения. Это в значительной мере обусловлено особенностями структуры атомов фосфора и серы. В обоих этих элементов внешний энергетический уровень находится относительно далеко от ядра атома, поэтому электроны, находящиеся на нем, сравнительно слабо связанные с ядром. Именно поэтому они могут легче присоединяться или видщеплюватися от атома, в связи с чем изменяется и энергетическое состояние атомов фосфора и серы. Благодаря этому органические соединения, в состав которых входит фосфор или сера, в определенных условиях могут поглощать или отдавать энергию. Аденозинтрифосфа́т (сокр. АТФ) Химически АТФ представляет собой трифосфорный эфир аденозина, который является производным аденина и рибозы.Пуриновое азотистое основание — аденин — соединяется β-N-гликозидной связью с 1'-углеродом рибозы. К 5'-углероду рибозы последовательно присоединяются три молекулы фосфорной кислоты, обозначаемые соответственно буквами: α, β и γ.

А ТФ - молекула, богатая энергией, поскольку она содержит две фосфоаншдридные связи (β, γ). При гидролизе концевой фосфоангидридной связи АТФ превращается в АДФ и ортофосфат Р_i При этом изменение свободной энергии составляет -7,3 ккал/моль. При условиях, существующих в клетке в норме (рН 7,0, температура 37 °С), фактическое значение ΔG⁰' для процесса гидролиза составляет около -12 ккал/моль. Величина свободной энергии гидролиза АТФ делает возможным его образование из АДФ за счёт переноса фосфатного остатка от таких высокоэнергетических фосфатов, как, например, фосфоенолпируват или 1,3-бисфосфоглицерат; в свою очередь, АТФ может участвовать в таких эндергонических реакциях, как фосфорилирование глюкозы или глицерина. АТФ выступает в роли донора энергии в эндергонических реакциях многих анаболических процессов. Некоторые биосинтетические реакции в организме могут протекать при участии других нуклеозидтрифосфатов, аналогов АТФ; к ним относят гуанозинтрифосфат (ГТФ), уридинтрифосфат (УТФ) и цитидинтрифосфат (ЦТФ). Все эти нуклеотиды, в свою очередь, образуются при использовании свободной энергии концевой фосфатной группы АТФ. Наконец, за счёт свободной энергии АТФ совершаются различные виды работы, лежащие в основе жизнедеятельности организма, например, такие как мышечное сокращение или активный транспорт веществ.

Таким образом, АТФ - главный, непосредственно используемый донор свободной энергии в биологических системах. В клетке молекула АТФ расходуется в течение одной минуты после её образования. У человека количество АТФ, равное массе тела, образуется и разрушается каждые 24 ч.Использование АТФ как источника энергии возможно только при условии непрерывного синтеза АТФ из АДФ за счёт энергии окисления органических соединений (рис. 6-3). Цикл АТФ-АДФ - основной механизм обмена энергии в биологических системах, а АТФ - универсальная "энергетическая валюта".

Этапы унификации энергетических субстратов •   На I этапе (переваривание в желудочно-кишечном тракте или распад в клетках) биополимеры расщепляются на свои структурные компоненты — мономеры, теряя при этом исходную специфичность строения. •   На II этапе (тканевой обмен) мономеры в основном превращаются в пи-ровиноградную кислоту и/или далее в активную форму уксусной кисло¬ты - ацетил-КоА, который и является универсальным энергетическим субстратом. Затем в цикле трикарбоновых кислот Кребса происходит окисление (дегидрирование) ацетил-КоА с образованием восстановленных кофермен-тов НАД-Н и ФАД-Н2. В мембранах митохондрий они включаются в ды¬хательную цепь, где в ходе окислительного фосфорилирования в присутст¬вии кислорода происходит синтез АТФ из АДФ и фосфата. На I и II этапах унификации субстратов окисления выделяется до 40 %, в дальнейшем - около 60 % энергии. В связи с этим именно цикл трикарбоновых кислот считается основным "энергетическим котлом" клетки. При полном окислении до СОг и НгО одного грамма углеводов и белков образуется около 4,1 ккал, жира - 9,3 ккал энергии.

19. Общий путь катаболизма как основной поставщик протонов и электронов для дыхательной цепи. Окислительное декарбоксилирование пирувата: строение и регуляция пируватдегидрогеназного комплекса, связь с цепью переноса электронов (ЦПЭ). Суммарное уравнение процесса.

Если процесс катаболизма рассматривать с общей точки зрения, то можно выделить три основные его части:

1.Расщепление в пищеварительном тракте. Это гидролитические реакции, превращающие сложные пищевые вещества в относительно небольшое число простых метаболитов: глюкоза, аминокислоты, глицерин, жирные кислоты.

2Специфические пути катаболизма. Простые метаболиты подвергаются специфическим реакциям расщепления, в результате которых образуется либо пировиноградная кислота, либо ацетил - СоА. Причем ацетил - СоА может образоваться из пирувата в результате окислительного декарбоксилирования. Могут также образоваться другие соединения, непосредственно включающиеся в цитратный цикл.

3Цитратный цикл и дыхательная цепь завершают расщепление пищевых веществ до конечных продуктов - СО₂ и Н₂О.

Следовательно, начиная со стадии образования пирувата происходит унификация путей катаболизма. Из большого числа исходных соединений образуется всего два - пируват и ацетил - СоА. Процесс, начинающийся от пирувата, называется общим путем катаболизма и в свою очередь включает:

• окислительное декарбоксилирование пирувата

• цитратный цикл.

Именно в общем пути катаболизма образуется основная масса субстратов для реакций дегидрирования. Совместно с дыхательной цепью и окислительным фосфорилированием общий путь катаболизма является основным источником энергии в форме АТф.