Я.Мусил - Современная биохимия в схемах

ФЕРМЕНТАТИВНОЕ РАСЩЕПЛЕНИЕ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ КОМПОНЕНТОВ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ

Деградация макромолекул представляется менее сложным процессом при его формальном описании. Для ее протекания нет необходимости в образовании сложных структур с точно ориентированным в пространстве катализатором. Как и другие типы деградации, этот процесс не требует энергии - напротив, энергия выделяется. В основе механизма лежит постепенное гидролитическое расщепление гликозидных связей между отдельны-

в этом ферменты должны обладать высокой субстратной специфичностью. Так, ксилозидаза и маннозидаза абсолютно специфичны к определенной конфигурации (поэтому точнее их называют β-кси- лозидазой иα-маннозидазой).Ферменты класса гидролаз находятся в лизосомах, и большинство из них имеет оптимум действия в кислой области рН. Во время катаболизма они действуют чрезвычайно согласованно, вследствии чего отдельные сахара сахаридной части молекул гликопротеина отщепляются один за другим в той же последовательности, в которой они соединялись при синтезе. На схеме расщепления гипотетического протеогликана (гликопротеина) указаны места действия отдельных ферментов: 1 - нейраминидаза, 2 - β-D-галактозидаза, 3 - N-ацетил-β-D-глюкозаминидаза, 4 - α-D-маннози- даза, 5 -4'-L-аспартилглюкозамин-амидогидролаза, 6 - N-ацетил-α-D-галактозаминидаза, 7 - β-D-ксило-

зидаза, 8 - β-D-гликозидаза, 9 - α-L-фукозидаза, 10 - α-D-галактозидаза, 11 - катепсины А, В, С, D,

12 - коллагеназа, 13 - ариламидаза, 14 - карбоксипептидаза (ферменты 11-14 расположены в лизосомах). Отсутствие какого-либо из ферментов может приводить к возникновению наследственных дефектов метаболизма. При этом в ткани накапливается неразрушенный протеогликан, а с мочой выделяются значительные количества метаболитов.

171

КОСТНЫЙ МАТЕРИАЛ

По составу и структуре материал кости напоминает гидроксилапатит Са10(РО4)6(ОН)2. В части кристаллов две гидроксильные группы замещены на карбонатные (карбонатапатит), а в дентине на

в определенных центрах. In vivo гидроксилапатит синтезируется в две стадии. На первой образуется аморфный осадок фосфата кальция, а на второй происходит кристаллизация. Замещение Са2 + на

После кристаллизации замешение Са2 + в кристаллической решетке практически не происходит.

УСЛОВИЯ МИНЕРАЛИЗАЦИИ

Фосфат кальция осаждается из раствора в нерастворимой форме, как только превышается про-

γ-карбоксиглутаминовой кислоты. γ-Карбоксиглу- таминовая кислота образуется карбоксилированием глутаминовой кислоты в присутствии витамина К. При патологии минерализация может происходить в любой ткани при повышении в ней концентрации ионов кальция.

172

XVII Вода и ионы

Вода в качестве растворителя органических и минеральных веществ является главным компонентом человеческого тела и составляет 60% по массе в зрелом и 67-70% в раннем возрасте.

Важная роль воды в биологических системах обусловлена способностью ее молекул образовывать множественные водородные связи. Они и объясняют особые физические и химические свойства воды (точки кипения и замерзания, высокая диэлектрическая проницаемость, высокая критическая температура, универсальность как растворителя, способность образовывать Н+ и ОН- и участвовать в качестве структурного элемента макромолекул).

В живых системах вода служит основным компонентом внутренней среды, принимает участие в процессах транспорта и образования структур и выполняет функцию изолятора.

Лишь небольшая часть воды, имеющейся в теле, находится в истинно мобильном состоянии, характерном для неживой природы. Основная часть воды является компонентом структур, причем не только клеточных, но и внеклеточных. Одна из основных ролей среди них принадлежит соединительным тканям, особенно их гликопротеиновому компоненту (протеогликанам, кислым мукополисахаридам). Они представляют собой макромолекулярные полиионы, образующие сетчатую структуру. Отрицательные заряды этих макромолекул нейтрализованы ионами Na+ и окружены гидратной оболочкой. В результате всех взаимодействий образуются гелеобразные или сильно гидратированные структуры, в которых вода и ионы быстро обмениваются и уста-

При расчетах полагают, что вода распределена в организме между двумя пространствами, называемыми внутриклеточным и внеклеточным. Внеклеточное пространство включает также плазму крови и интерстициальную жидкость, которая делится на подвижную (свободную) и связанную со структурой соединительной ткани.

Общее содержание воды в теле взрослого человека массой 70 кг составляет 42 л, из которых на внутриклеточное пространство приходится 28,0 л (40%), а на внеклеточное 14,0 л (20%; из них 3,5 л, т.е. 5%, представляет вклад плазмы).

Отдельные пространства разделены мембранами, свойства которых определяют транспорт воды и растворенных в ней веществ и являются причиной неравномерного распределения растворенных веществ, т. е. образования градиента концентрации. Состав внутренней среды (интерстициального пространства и плазмы крови) поддерживается на постоянном уровне с помощью ряда динамических компенсационных процессов. По составу электролитов она сильно отличается от внутриклеточной жидкости. Основным катионом внутри клетки является К+ (около 160 мМ). Затем следуют ионы Mg2+ (около 13 мМ) и Na+ (около 10 мМ). Анионы внутриклеточной жидкости представлены белками (20% от массы клетки, т. е. около 8 мМ), фосфатами (50 мМ), сульфатом (10 мМ) и бикарбонатом (около 11 мМ).

Основным катионом внеклеточной жидкости является Na+ (142 мМ в плазме и 144 мМ в интерстициальной жидкости). Концентрация К+ - 4 мМ, Са2+ - 2,5 мМ в плазме и 1 мМ в интерстициальной жидкости, Mg2+ — 1,5 мМ, но может быть и 1 мМ. Основной анион - Сl- (103 мМ в плазме и 114 мМ в интерстициальной жидкости). Еще меньшая концентрация приходится на долю НСО3- (27 мМ) и фосфатов.

Что касается содержания воды и ионов, то между плазмой и остальной внеклеточной жидкостью быстро устанавливается равновесие. При этом, конечно, соблюдается условие электронейтральности раствора, т. е. равенство количества положительных и отрицательных зарядов. Общая осмоляльная концентрация внеклеточной жидкости около 0,3 осмоль/л; рН находится в диапазоне 7,35-7,45. Постоянство состава внутренней среды обеспечивается регуляторным механизмом легких и почек. Почки участвуют в поддержании рН среды, осуществляя следующие процессы:

обмен Na+ на Н+ ,

обмен НРО42- на Н2РО4,

присоединение Н+ к NH3 с образованием NH4+. Почки принимают участие в сохранении осмотического давления и ионного состава посредством дифференцированного образования мочи. Они же производят выделение отходов метаболизма (мочевины, креатинина и др.) и чужеродных веществ.

173

174

175

КЛЕТКА КАК ОСМОМЕТР

При наличии в растворе вещества, которое не проникает в клетку (например, сахарозы), вода диффундирует из области, где ее термодинамическая активность выше, в область, где она ниже. Осмотическая активность клетки определяется суммой осмолярных активностей проникающих и непроникающих ионов и молекул (см. разд. «Равновесие Доннана»). Если клетку поместить в раствор с концентрацией растворенных веществ меньшей, чем осмолярная активность внутри клетки (гипотоническая среда), вода будет поступать в клетку до тех пор, пока не установится равенство осмотических активностей раствора снаружи и внутри. При этом объем клетки увеличивается. Если это увеличение происходит выше предела, определяемого прочностью (эластичностью) плазматической мембраны, то она разрывается.

Если клетку поместить в раствор с концентрацией растворенных веществ большей, чем осмолярная концентрация внутри клетки (гипертоническая среда), то вода будет выходить из клетки до тех пор, пока не сравняются осмотические активности снаружи и внутри. При этом объем клетки уменьшается. Если клетка находится в изотонической среде, то вода свободно проходит (диффундирует) через мембрану в обоих направлениях.

ДВИЖЕНИЕ ВОДЫ МЕЖДУ ВНУТРИ- И ВНЕКЛЕТОЧНЫМ ПРОСТРАНСТВАМИ

Поступление небольшого количества воды извне во внеклеточное пространство приводит к уменьшению осмотической активности внеклеточной жидкости (1), что вызывает перенос воды во внутриклеточное пространство (2). При отборе воды из внеклеточного пространства его осмотическая активность увеличивается (3), что вызывает перенос воды в него из внутриклеточного пространства (4) до установления равенства осмотических давлений. Поступление во внеклеточное пространство небольшого количества электролитов повышает в нем осмотическое давление (5), что вызывает перенос небольшого количества воды из внутриво внеклеточное пространство (6). Напротив, отбор небольших количеств электролитов из внеклеточного пространства приводит к переносу воды из него внутрь клетки (7) и (8).

Перемещение воды сопровождается изменением объемов внутри- и внеклеточного пространств, так что исходное осмотическое состояние восстанавливается.

176

177

МЕХАНИЗМЫ РЕАБСОРБЦИИ ВОДЫ И Na+ В КЛЕТКАХ ПРОКСИМАЛЬНЫХ КАНАЛЬЦЕВ

Выделение Na+ с мочой строго регулируется. В нормальных условиях около 99% Na+ первичной мочи реабсорбируются, причем примерно 2/3 всего количества в проксимальных канальцах. Этот процесс представляет собой изоосмотический, но активный транспорт. Он требует затраты большого количества энергии, источником которой в клетках почки служит катаболизм жирных кислот, α-кето- глутарата и лактата.

Клетки проксимального канальца (2) отделены мембраной как от полости канальцев, так и от капилляра и соединены между собой контактными участками (5). Базальная мембрана (3) отделяет клетки канальца от расположенного снаружи капилляра (4). Ионы Na+ диффундируют (пассивно) по направлению электрохимического градиента из полости (1) в клетку, а затем активно транспорти-

руются (θ—>) в межклеточное пространство (интерстиций). В результате этого в нем происходит локальное возрастание осмотического давления. По этой причине вода пассивно (—>) следует за ионами Na+ из полости в межклеточное пространство, а затем транспортируется в капилляр. Транспорт ионов и воды из интерстициального пространства в капилляр происходит под действием гидростатического и осмотического давлений, действующих на базальную мембрану капилляра, которая свободно пропускает эти вещества. Транспорт катионов сопровождается пассивным транспортом Сl- и НСО3- по направлению градиента для сохранения электронейтральности среды.

РЕАБСОРБЦИЯ БИКАРБОНАТА И ТРАНСПОРТ Н+ В КЛЕТКАХ ПРОКСИМАЛЬНОГО КАНАЛЬЦА

Бикарбонат реабсорбируется кровью из жидкости (1) канальца. Мембрана клеток проксимального канальца (2) свободно пропускает СО2, и вели-

Внутри канальца Н+ реагирует с НСО3- с образо-

дирует в клетку, где с помощью того же фермента из него опять образуется Н2СО3. Ион НСО3-, по-

179

МЕХАНИЗМ ОБМЕНА В КЛЕТКАХ ДИСТАЛЬНОГО КАНАЛЬЦА

Следствием транспорта Н+ и Na + в клетках дистального канальца является превращение

HPO42- в Н2РО4-, приводящее к увеличению кислотности мочи. Перенос Н+ из клетки и перенос Na+ в клетку не являются единым процессом (об-

меном). Фактически происходят два независимых процесса, и наблюдаемый обмен является их суммой.

Фосфат реабсорбируется из первичной мочи в результате активного транспорта. Почка регулирует уровень фосфата в плазме, и секреция фосфата зависит от его концентрации в ней.

Аммиак, который образуется в клетках почки из глутамина под действием глутаминазы, диффундирует внутрь канальца, где он взаимодействует с Н+, давая NH4+. Равновесие этой реакции смещено вправо. NH4+ не проникает через мембрану и выделяется с мочой. Этот механизм используется для фиксации Н+ , если для этой цели не хватает НСО3-. Поскольку глутаминаза является индуцируемым внутриклеточным ферментом, этот процесс начинается с некоторым запозданием.

Механизм образования ионов аммония позволяет почке выделять анионы нелетучих кислот и реабсорбировать HCO3- для забуферивания внутренней среды. Анионы сильных кислот образуют аммониевые соли и выводятся с мочой.

Основная часть К+ реабсорбируется в проксимальном канальце в результате активного транспорта. Реабсорбция зависит от количества К+, поступающего с пищей. В дистальном канальце К+ пассивно переносится по электрохимическому градиенту, образующемуся при активном транспорте Na + . Всякое воздействие, приводящее к увеличению градиента, приводит к увеличению выделения К+ . Ионы калия и водорода могут взаимозаменяться при секреции в жидкость дистального канальца. При низкой концентрации К+ во внутриклеточной жидкости секретируются ионы Н+, и наоборот.

180