2 курс / Биохимия / БИОХИМИЯ

Одним из наиболее часто встречающихся клинико-лаборатоных синдромов при заболеваниях почек является нефротический синдром.

Клинические проявления:

•Выраженная протеинурия (более 3,5 г/л в сутки)

•Гипоальбуминемия (менее 30 г/л)

•Гиперлипидемия

•Отеки

Основные причины почечных отеков:

1.Снижение онкотического давления (из-за потери белка – нефро-

тический синдром)

2.Повышение проницаемости сосудистой стенки (вследствие повышения активности гиалуронидазы и снижения содержания кальция в крови – острый гломерулонефрит)

3.Вторичный гиперальдостеронизм (вследствие задержки электролитов и воды)

Вклинике ни одна из причин не проявляется как самостоятельная, а лишь преобладает в том или ином случае.

8. Почечные камни

Обычно состоят из продуктов обмена веществ, в норме имеющихся в первичной моче в концентрациях, близких к величинам их максимальной растворимости. Незначительные изменения состава мочи могут вызвать осаждение этих соединений в ткани почек в виде кристаллов или камней.

Условия, способствующие образованию камней:

1.Высокая концентрация в моче одного или нескольких компонентов клубочкового фильтрата. Это может быть связано или с уменьшением объема мочи или с чрезмерно высокой скоростью экскреции образующих камни продуктов обмена.

2.Изменение рН мочи, способствующее образованию осадков различных солей.

3.Застой мочи вследствии нарушения мочеотделения.

4.Отсутствие соответствующих ингибиторов. Предполагается,

что моча в норме содержит ингибиторы роста кристаллов оксалата Са2+. В моче больных, у которых систематически образуются кальцие-

вые камни, такие ингибиторы отсутствуют.

Виды мочевых камней

1. Содержащие кальций. Составляют 70-90% всех почечных кам-

ней, состоят из оксалата или фосфата кальция. Гиперкальциурия спо-

522

собствует образованию кальциевых осадков, а вид соли зависит от рН мочи, наличия в системе оксалатов или фосфатов. Гиперкальциурия бывает при остеопорозе, при длительном ацидозе, когда усиливается ионизация солей Са, при гипервитаминозе D.

Усиленная экскреция оксалатов способствует образованию оксалата кальция, нерастворимого даже при нормальном содержании Са2+ в

моче. Причиной повышенного уровня оксалатов может быть потребление определенных продуктов питания, гипервитаминоз С.

Щелочная среда способствует образованию кальциевых осадков. При высоких значениях рН осаждаются преимущественно фосфаты Са2+, оксалатные камни образуются при любых значениях рН.

2.Камни, состоящие из мочевой кислоты. Составляют примерно 10% всех почечных камней. Осаждению уратов способствует кислая моча. В большинстве случаев непосредственную причину возникновения камней выявить не удается.

3.Цистиновые камни.

4.Ксантиновые камни.

Эти виды камней встречаются редко при врожденных заболеваниях цистинурии или ксантинурии.

Лекция 51

БИОХИМИЯ МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ

1. Характеристика мышечных белков

Мышечная ткань составляет 40 % от веса тела человека. Биохимические процессы, протекающие в мышцах, оказывают большое влияние на весь организм человека. Функция мышц – механическое движение, в котором химическая энергия превращается в механическую при постоянном давлении.

Различают 2 группы мышечных белков: саркоплазматические и миофибриллярные.

Саркоплазматические белки экстрагируются из мышц солевыми растворами с малой ионной силой. К ним относятся миоглобин, ферменты гликолиза, ферменты митохондрий, белки, участвующие в обмене Са – (кальсеквестрин и белок «с высоким сродством к кальцию»).

Миофибриллярные белки экстрагируются из мышц солевыми растворами с высокой ионной силой. Эти белки составляют основу молекулярной структуры миофибрилл.

523

Миофибрилла скелетных мышц состоит из сократительных элементов – саркомеров. Саркомеры содержат параллельные белковые нити двух типов – тонкие и толстые. Толстые нити содержат миозин, тонкие – актин, тропомиозин, тропонин. Каждая толстая нить окружена шестью тонкими.

Структура толстой нити миофибрилл

Толстые нити образованы белком миозином. Миозин, М.М. 500 тыс., состоит из двух тяжелых полипептидных цепей и четырех легких. N-

конец каждой тяжелой цепи имеет глобулярную форму, образуя «головку» молекулы. К каждой из головок нековалентно присоединены по 2 легкие цепи. C-конец тяжелой цепи имеет конформацию α-спирали.

Головка миозина присоединена к остальной части молекулы гибким участком. Это позволяет головке обратимо присоединяться к актину. Палочкообразные хвосты молекул миозина могут соединяться друг с другом, образуя пучки, головки будут располагаться вокруг пучка по спирали. В области М-линии пучки соединяются «хвост к хвосту», об-

разуя миозиновые нити саркомера.

В головке миозина есть центры связывания с актином и АТФ. Она способна гидролизовать АТФ на АДФ+Рн, т.е. обладает ферментативной активностью. Присоединение АТФ к миозину и гидролиз АТФ происходит очень быстро. Однако отщепление продуктов гидролиза АДФ и Рн от миозина происходит медленно. В покое головка миозина представляет комплекс М+АДФ+Рн; актин обладает к ней большим сродством.

Строение тонкой нити; образование комплекса с головкой миозина

524

Тонкие нити. Основным белком тонких нитей является актин.

Актин имеет центры связывания с миозином. Он бывает в двух формах: глобулярный G-актин (М.М. 4200) и фибриллярной – F-актин. F- актин образуется при полимеризации G-актина, это двух-цепочечная спираль из мономеров G-актина.

Тропомиозин – двухцепочечная α-спирализованная палочковидная молекула (М.М. 70000). Располагается в желобке между цепями F- актина. В покое тропомиозин закрывает в G-актине центры связывания с миозином. Длина молекулы тропомиозина равна семи глобулам G-

актина.

Тропонин (М.М. 76000) состоит из трех субъединиц с глобулярной структурой, расположен на концах каждой молекулы тропомиозина. Субъединица Т обеспечивает связывание с тропомиозином, субъединица С – образует связь с Са2+, субъединица I расположена таким

образом, что в покое мешает взаимодействию актина с миозином. Между собой актин, тропомиозин и тропонин связаны некова-

лентыми связями.

Биохимические механизмы мышечного сокращения и расслабления на примере поперечно-полосатых

мышц

Большую роль в мышечном сокращении играют ионы Са и саркоплазматические белки кальсеквестрин и белок с высоким сродством к Са2+. Эти белки расположены в цистернах

саркоплазматического ретикулума. Саркоплазматический ретикулум – это внутриклеточная мембранная система, окружающая мышечные нити.

Кальсеквестрин – кислый гликопротеин с Мм 45000 Да, спосо-

525

бен присоединять 45 молекул Са2+, белок с высоким сродством к кальцию (Мм 55000 Да) связывает 25 молей Са2+. Перенос Са2+ из

цистерн саркоплазматического ретикулума происходит по градиенту концентрации простой диффузией. Из цитоплазмы в цистерны - против градиента при участии Са2+ зависимой АТФазы и затраты АТФ.

В состоянии покоя система активного транспорта накапливает Са в цистернах саркоплазматического ретикулума.

Сокращение мышцы начинается с прихода потенциала действия на концевую пластинку двигательного нерва. В синапс выделяется ацетилхолин, который связывается с постсинаптическими рецепторами мышечного волокна. Далее потенциал действия распространяется вдоль сарколеммы к поперечным трубочкам Т-системы. В области Z-

линий происходит передача сигнала от поперечных трубочек на цистерны саркоплазматического ретикулума. Приход потенциала действия вызывает деполяризацию мембран цистерн. Это приводит к освобождению Са2+ и началу мышечного сокращения.

1.Са2+ связывается с субъединицей С тропонина. Это изменяет конформацию всей молекулы тропонина – субъединица I перестает

мешать взаимодействию актина с миозином, изменение конформации субъединицы Т передается на тропомиозин.

2.Тропомиозин поворачивается на 20 и открывает закрытые ранее центры в актине для связывания с миозином.

3.Головка миозина, которая в покое представляет собою комплекс М+АДФ+Рн, присоединяется к актину перпендикулярно, причем актин обладает к этому комплексу большим сродством. (Образование поперечных мостиков).

4.Присоединение актина вызывает быстрое освобождение АДФ

иРн из миозина. Это приведет к изменению конформации и головка

мозина повернется на 45 (рабочий ход). Поворот головки, связанный

сактином, вызовет перемещение тонкой нити относительно миозина.

5.К головке миозина, вместо ушедших АДФ и Рн, вновь присоединяется АТФ, образуя комплекс М+АТФ. Актин обладает к нему малым сродством, это вызовет отсоединение головки миозина (разрыв поперечных мостиков). Она вновь становится перпендикулярно около тонкой нити.

6.В головке миозина, не связанной с актином, происходит гидролиз АТФ. Вновь образуется комплекс АДФ+Рн+миозин и все по-

вторяется с третьего пункта.

После прекращения действия двигательного импульса, Са2+ с помощью Са2+-зависимой АТФ-азы переходит в саркоплазматический ретикулум. Уход Са2+ из комплекса тропонина приводит к смещению субъединиц I и тропомиозина и закрытию активных центров актина,

делая его неспособным взаимодействовать с миозином. Мышца рас-

526

слабляется.

Мирошниченко, Шуба (Киев) предложили новый механизм сокращения мышцы – сокращение скелетной мышцы происходит за счет вкручивания миозиновых филаментов в трубкообразные структуры, образованные актиновыми филаментами. Миозин (головка) не контактирует с глобулами актина, а зацепляется за актиновый филамент.

Гидролиз АТФ приводит к циклическому образованию и распаду - комплекса актина и миозина

Н2 О

Акти АДФ --Pi -Миозин

При низкой концентрации АТФ число головок миозина, связанных с актином, нарастает, т.к. не разрываются поперечные мостики. Низкая концентрация АТФ приводит к судорогам. Образование прочных связей между актиновыми и миозиновыми нитями – причина трупного окоченения, обусловленного исчезновением АТФ.

Первая пересадка сердца была выполнена в 1968 г. в ЮАР, в 1972 г. появилось сообщение о синдроме «каменного сердца». Его суть состояла в том, что приготовленное к пересадке сердце после некоторого периода ожидания приобретало исключительную жесткость, сопоставимую с плотностью камня, и становилось непригодным для использования. Практически сразу на эту статью откликнулся видный биохимик Арнольд Кату, написавший статью «Каменное сердце – вызов биохимику». Он указал, что этот синдром возникает после длительной ишемии и является следствием развития контрактуры миокарда – состояния, при котором кардиомиоциты находятся в состоянии сокращения, что не позволяет сердечной мышце выполнять насосную функцию.

Механизм сокращения гладких мышц

Гладкие мышцы содержат молекулы актина, тропомиозина, миозина, но они не обладают тропониновой системой, кроме того, легкие

527

цепи миозина гладких мышц отличаются от легких цепей поперечно- полосатых мышц. Сокращение гладких мышц регулируется Са2+.

Миозин гладкой мускулатуры содержит особую легкую цепь (р- легкая цепь), предотвращающую связывание миозиновых головок с F- актином. Чтобы она не мешала этому взаимодействию, р-легкая цепь

должна предварительно фосфорилироваться.

Этапы сокращения гладких мышц

1.4 Са2+ взаимодействуют с кальмодулином.

2.Комплекс кальмодулин – 4 Са2+ активирует киназу легких це-

пей миозина.

3.Активная киназа фосфорилирует легкую цепь р.

4.Фосфорилированная легкая цепь «р» перестает ингибировать взаимодействие миозина с F-актином.

5.Миозин взаимодействует с F-актином, активируется АТФаза,

начинается сократительный цикл.

Расслабление гладких мышц происходит, когда:

1.Падает содержание ионов Са2+ в саркоплазме ниже 10-7

ммоль/л.

2.Са2+ отсоединяется от кальмодулина, который, в свою очередь,

отделяется от киназы легкой цепи миозина, вызывая ее инактивацию.

3.Нового фосфорилирования легкой цепи «р» не происходит. Протеинфосфатаза отщепляет от легкой цепи «р» фосфаты.

4.Дефосфорилированная легкая цепь «р» миозина ингибирует связывание миозиновых головок с F-актином и подавляет активность

АТФазы.

5.Миозиновые головки в присутствии АТФ отделяются от F-

актина. Мышца расслабляется.

Сравнительная характеристика актин-миозинового взаимодействия в поперечно-полосатых и гладких мышцах

528

Метаболизм мышц

Различают белые и красные мышечные волокна. В красных мышцах содержится много миоглобина, который служит внутриклеточным резервом О2. Красные мышцы содержат многочисленные ми-

тохондрии с плотно упакованными складчатыми мембранами. Они расположены в непосредственной близости к сократительным миофибриллам, которые используют АТФ, образующуюся в митохондриях при окислительном фосфорилировании. Для этого класса скелетных мышц характерно медленное сокращение и способность длительное время оставаться в состоянии сокращения.

В мышцах, функции которых требуют коротких, быстрых движений, мало миоглобина и митохондрий, поэтому их называют белыми мышцами. Они содержат большие запасы гликогена в цитоплазме и их функция зависит преимущественно от анаэробного гликолиза как источника АТФ.

Характеристика быстрых и медленных скелетных мышц

У человека нет специализированных мышц, но есть специализированные волокна: в мышцах-разгибателях больше "белых" волокон, в

мышцах спины больше "красных" волокон.

У людей при голодании главным после жира источником запасенной энергии служит белок скелетных мышц. Это объясняет очень большую потерю мышечной массы при длительном голодании. В ходе внутриклеточного распада актина и миозина образуется 3-

529

метилгистидин, который выводится с мочой. По скорости выведения его с мочой можно судить о скорости деградации мышечных белков. Мышцы являются главным местом катаболизма аминокислот с разветвленной цепью. Образующиеся при этом аминогруппы в ходе реакций трансаминирования переносятся на α-кетоглутарат и пируват с об-

разованием глутамата и аланина. Источником почти всего пирувата, идущего на синтез аланина, является глюкоза, поступающая в мышцы из печени. Аланин из мышц поступает в печень, где его углеродный скелет используется в глюконеогенезе, а NH2 группа удаляется в виде

мочевины (глюкозо-аланиновый цикл).

В мышцах действуют 3 АТФ-зависимых механизма:

1.Натриевый насос клеточной мембраны;

2.Кальциевый насос внутри самой клетки;

3.Миозин-актиновое взаимодействие (сокращение-расслабление).

Мышца потребляет огромное количество энергии. То количество

АТФ, которое имеется в мышце, может поддерживать сократительную активность всего лишь на протяжении доли секунды. Однако в мышцах позвоночных богатые энергией фосфатные связи запасаются в виде креатинфосфата. Это макроэргическое соединение в термодинамической шкале стоит выше АТФ, поэтому при участии креатинкиназы (КК) может происходить перенос фосфата от креатинфосфата к АДФ с образованием АТФ (субстратное фосфорилирование).

кк

Креатинфосфат + АДФ АТФ + креатин

В работающей мышце запас креатинфосфата быстро истощается, а, следовательно, снижается и содержание АТФ. При этом возрастает концентрация АДФ и Рн, а также уровень АМФ.

530

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 продуктов, включается мгновенно. Его недостаток – малый резерв субстрата (хватает только на 20 с работы). Обратная реакция может протекать в митохондриях с использованием АТФ, образовавшейся в процессе окислительного фосфорилирования.

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, гликогенолиза.

Анаэробный гликолиз и гликогенолиз. Не требуют присутствия кислорода (анаэробные процессы). Обладают большим резервом субстратов. Используется гликоген мышц (2 % от веса мышцы) и глюкоза крови, полученная из гликогена печени. Недостатки следующие: небольшая эффективность – 3 АТФ на один глюкозный остаток гликогена; накопление недоокисленных продуктов (лактат); анаэробный гликолиз 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 резерв субстратов: может использоваться глюкоза, гликоген, глицерин, кетоновые тела. Продукты распада (CO2 и H2O) практически безвред-

ны. Недостаток: требует повышенных количеств кислорода.

Важную роль в обеспечении мышечной клетки кислородом играет миоглобин, у которого сродство к кислороду больше, чем у гемоглобина: при парциальном давлении кислорода, равном 30 мм.рт.ст., миоглобин насыщается кислородом на 100 %, а гемоглобин - всего на

30 %. Поэтому миоглобин эффективно отнимает у гемоглобин доставляемый им кислород.

Основные источники энергии в мышечной ткани в покое: β-

окисление жирных кислот, кетоновые тела; при работе (в зависимости от снабжения О2) – анаэробный гликолиз, гликогенолиз, ЦТК.

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

531