2 курс / Биохимия / БИОХИМИЯ

Зубной ликвор Ã это жидкость, заполняющая свободные пространства тканей зуба. С ней в зубные ткани поступают питательные вещества. Различают дентинный и эмалевый ликвор.

Дентинный ликвор составляет 12% от массы дентина и 20% от его объема. Содержит минеральные и органические вещества: до 92 мг/л Са, 42 мг/л фосфатов, ~28 мг/л Cl, белки, подобные белкам плазмы

крови, аминокислоты, ферменты, витамины, микроэлементы. Ликвор движется в сторону эмали со скоростью ~4 мм/час и выполняет трофическую функцию. Изменение скорости и направления тока вызывают ощущение боли, чувство «оскомины».

Эмалевый ликвор меньше изучен, т.к. его очень мало – 6-11%

объема эмали. Так как размеры микропространств в эмали очень малы, через кристаллы гидроксиапатита, как через сито, в эмалевую жидкость проходят только молекулы небольших размеров: минеральные вещества, микроэлементы, небольшие органические молекулы.

Вглубоких зонах эмали ликвора находится больше, чем в поверхностных. С возрастом его количество уменьшается.

Пелликула зуба. Тонкий слой органических веществ, содержащий небольшое количество бактерий, остающийся после снятия зубного налета с поверхности эмали, называется пелликулой. Это структурный

компонент зуба.

Вней содержатся белки с низким содержанием цистеина, метионина, не содержащие гидроксипролина и гидроксилизина, похожие на гликопротеины слюны (после отщепления остатков нейраминовой кислоты от углеводного компонента), подвергшиеся действию ферментов бактерий. В состав пелликулы также входят кислые фосфопротеины слюны и фрагменты стенок бактерий, пептиды, аминокислоты, аминосахара, сиаловые кислоты, кальций и другие минеральные вещества. В химическом отношении она представляет гликопротеиновый комплекс,

вотличие от зубного налета не содержащий микробов. Образуется на поверхности эмали после прорезывания зуба и выполняет защитную функцию, снижая многократно растворимость эмали и предохраняя эмаль от действия органических кислот. Пелликула не стирается при жевании, чистке зубов и может быть удалена только при воздействии сильных абразивных агентов.

Зубной налет. Это мягкий слой органической матрицы и бактериальных клеток, откладывающийся на эмали поверх пелликулы. В отличие от пелликулы он удаляется при чистке зубов.

Химический состав зубного налета в разных участках полости рта варьирует в зависимости от возраста, диет, гигиенических навыков. В среднем он содержит 80% воды, 20% сухого остатка. 40% сухого остатка составляют минеральные вещества (фосфор, Na, К, Са, F, Zn, Fe)

и 60% – органические (гликозаминогликаны, гликопротеины, осаж-

612

даемые из слюны, полисахариды, синтезируемые бактериями из глюкозы – декстран-глюконы, из фруктозы – леваны, и гетерополисахариды).

При исключении углеводов из пищи полисахариды в матриксе зубного налета исчезают.

Быстрому развитию зубного налета способствует сахароза, она является предшественником для синтеза этих полисахаридов, а также стимулирует синтез ферментов у бактерий, осуществляющих образование полисахаридов. Содержание фтора в зубном налете может в 10-100

раз превышать его содержание в слюне и колеблется от 6 до 180 мг/кг. Фтор включается в него из пищи, воды, слюны, и может поступать из эмали при снижении рН зубного налета и активации процессов деминерализации эмали. Содержание фтора в зубном налете с возрастом увеличивается. Содержание минеральных веществ в налете достаточно высокое, они могут быть в виде гидроксиапатитов, фторапатитов, фторидов кальция и др.

Чем выше содержание Са и Р в зубном налете, тем меньше его кариесогенное действие. Зубной налет устойчив к смыванию слюной, полосканию полости рта, т.к. его поверхность покрыта слизистым полупроницаемым мукоидным гелем.

Он удаляется при чистке зубов щеткой, но уже через 2 часа начинает накапливаться. Сначала в нем преобладают аэробные микроорганизмы, а затем смесь аэробных и анаэробных. В 1 мг от 5 до 800 млн. бактерий.

Полагают, что зубной налет защищает эмаль, т.к. его отсутствие приводит к эрозии и некрозу эмали.

Патогенное значение он приобретает при его больших скоплениях в углублениях, щелях, пришеечных участках зуба и уменьшении скорости слюноотделения.

Зубной камень – это твердое образование на поверхности зубов, возникающее чаще на язычной стороне зубов вблизи протоков слюнных желез. Зубной камень образуется в результате осаждения из слюны солей фосфатов и карбонатов кальция и магния в органическую матрицу зубного налета. С другой точки зрения – это минерализованная зубная бляшка, прикрепленная к эмали в области корня зуба.

По статистике зубной камень имеется у 75% людей, а при наличии гингивита – у 90% обследованных.

Взубном камне содержится:

–4-10% воды,

–13-25% органических веществ,

–72-82% минеральных веществ.

Основные его компоненты – Са и Р.

Всильноминерализованных камнях содержится

–кальция – 29%,

613

–фосфатов – 16%.

В слабоминерализованных:

–кальция – 21%,

–фосфатов – 12%.

Также содержатся Mg, Na, Si, Zn, Pb, кадмий. Из органических

компонентов – аминокислоты; моносахариды (глюкоза, галактоза, галактозамин, глюкуроновая кислота); фосфолипиды, холестерин, ди- и

триглицериды, жирные кислоты; ферменты; также входят остатки пищи, клетки эпителия, лейкоциты, микробы.

Образованию камня способствует снижение коллоидоустойчивости слюны в связи с изменением рН в щелочную сторону в результате накопления аммиака при действии уреазы на мочевину.

Зубной камень является частой причиной болезней пародонта, т.к. на его шероховатой поверхности задерживаются остатки пищи, микробы, эпителий, что способствует развитию и поддержанию воспаления. В свою очередь образованию камня может способствовать воспаление тканей пародонта (наряду с изменением химического состава слюны, накоплением зубного налета), т.е. возникает порочный круг.

Биохимия кариеса

Кариес зубов – одно из наиболее распространенных заболеваний, встречающееся у 98% людей.

На начальной стадии на гладкой поверхности зуба появляется белое пятно («меловое»), где эмаль теряет блеск вследствие увеличения пористости ее и поэтому увеличения рассеивания света. Эта пористость возникает вследствие действия органических кислот, образующихся при расщеплении глюкозы ферментами бактерий зубного налета.

В местах скопления зубного налета (адсорбирующего сахарозу) ферменты бактерий расщепляют пелликулу, и органические кислоты

проникают к эмали, происходит ее деминерализация, формируется дефект, куда проникают бактерии.

Дентин и пульпа имеют клетки, которые реагируют на повреждение образованием вторичного дентина, минерализацией дентиновых канальцев. Происходит воспаление твердых тканей зуба – потеря карбонатных ионов, кальция, магния.

Способствуют развитию кариеса:

–снижение скорости слюноотделения;

–увеличение вязкости слюны и повышение содержания в ней муцинов;

–сдвиг рН слюны в кислую сторону;

–снижение степени насыщенности слюны соединениями Са и Р вследствие сдвига рН в кислую сторону;

614

–активация ферментов катаболизма глюкозы в слюне и зубном налете (микробного происхождения).

Особенно благоприятная ситуация для развития кариеса складывается во время сна, когда накапливается молочная кислота вследствие гликолиза.

–Потребление больших количеств чистых сахаров.

–Недостаточное поступление фтора в организм.

Фтор – важный элемент, присутствие которого необходимо для правильного формирования костей и зубов. Фтор соединяется с гидроксиапатитом с образованием фторапатита:

[Са3(РО4)2]3!Са(ОН)2 + 2 NаF [Са3(РО4)2]3!CaF2

Кристаллы фторапатита среди кристаллических компонентов составляют очень небольшую долю, однако они придают кристаллам гидроксиапатита прочность и кислотоустойчивость.

Натуральные, а тем более рафинированные продукты питания не всегда содержат достаточные количества фторидов. Для нас главным источником фторидов является питьевая вода. Оптимальное содержание F в питьевой воде – 0,7-1,5 мг/л. Содержание в сыворотке крови в норме

– 1,0 мкмоль/л, зависит от содержания в питьевой воде. 99% всего F на-

ходится в организме в минерализованных тканях (зубах, костях). Исследования, проводимые в США, показали, что добавление в

воду фтора в концентрации 1 часть на 1000000 значительно снижает вероятность развития кариеса. Поэтому многие водопроводные компании сейчас проводят фторирование водопроводной воды.

Избыточное поступление фтора в организм вредно и вызывает флюороз, для которого характерно развитие крапчатости зубов.

615

СИТУАЦИОННЫЕ ЗАДАЧИ

Белки, строение, функции

1. Напишите тетрапептид асп-фен-глн-гис. В какой области рН

данный пептид будет находиться в изоэлектрическом состоянии? Ответ: Данный пептид находится в изоэлектрическом состоянии

при рН 7.

2.Смесь аминокислот, содержащая валин, лейцин, аспарагиновую кислоту, лизин, гистидин, серин была подвергнута фракционированию методом электрофореза на бумаге при рН=6,2. Какие аминокислоты будут перемещаться к катоду, аноду или останутся на линии старта?

Ответ: На линии старта останутся – вал, лей, сер. К катоду будут передвигаться – лиз, гис. К аноду будут передвигаться – асп, глу.

3.Почему белок молока (казеин) сворачивается (т.е. выпадает в осадок), если молоко кислое?

Ответ: В результате потери двух факторов устойчивости белка в растворе – заряда (изоэлектрическая точка белков молока ниже рН=7,0) и гидратной оболочки.

4.В какой последовательности будут выходить из колонки при гель-фильтрации на сефадексе белки со следующими молекулярными

массами?

1) иммуноглобулин А – 500 000; 2) фибриноген 330 000; 3) трансферрин – 75 000; 4) ретинол-связывающий белок – 24 000; 5) транскортин – 55 000?

Ответ: 1, 2, 3, 5, 4.

5.Пепсин желудочного сока (рН 1,5) имеет изоэлектрическую точку около 1,0, что намного ниже, чем у других белков. Какие функциональные группы должны присутствовать в пепсине в относительно большом количестве, чтобы фермент мог иметь такую низкую изоэлектрическую точку? Какие аминокислоты имеют эти группы в своем составе?

Ответ: В пепсине присутствуют в большом количестве карбоксильные группы. В составе пепсина большое количество кислых аминокислот – аспарагиновой и глутаминовой.

6.Большинство глобулярных белков при кратковременном нагревании до 650С денатурирует. Однако те глобулярные белки, в ко-

торых содержится много остатков цистеина, денатурируют только при более длительном нагревании до более высоких температур. Какова молекулярная основа этого?

Ответ: Остатки цистеина препятствуют полному развертыва-

616

нию молекул белка.

7. Напишите тетрапептид мет-тир-лиз-глу. В какой области рН

данный пептид будет находиться в изоэлектрическом состоянии? Ответ: Данный пептид находится в изоэлектрическом состоянии

при рН 7.

8. Напишите тетрапептид арг-ала-лиз-мет. В какой области рН данный пептид будет находиться в изоэлектрическом состоянии?

Ответ: Данный пептид находится в изоэлектрическом состоянии при рН 7.

9. Почему при добавлении к водному раствору белка нейтральных

солей в высокой концентрации белок выпадает осадок?

Ответ: При добавлении высоких концентраций солей из молекул белка удаляется гидратная оболочка, в результате чего растворимость белка уменьшается.

Ферменты

1. Измеряя скорость ферментативной реакции в зависимости от

концентрации субстрата в отсутствии и в присутствии ингибиторов (А и В) были получены следующие данные:

Определите тип ингибирования в каждом случае, объясните свое заключение. В каком случае добавление субстрата может снять ингибирующий эффект?

Ответ: Без ингибитора: Vmax – 40 ммоль/л, Km – 1×10–5 М. В присутствии ингибитора А: Vmax – 40 ммоль/л, Km – 2×10–5 М. В присутствии ингибитора В: Vmax – 30 ммоль/л, Km – 1×10–5 М. Вывод: ин-

гибитор А – конкурентный, ингибитор В – неконкурентный. В случае ингибитора А добавление субстрата до концентрации 5×10-5 М может

снять ингибирующий эффект.

2. Высокая токсичность метанола обусловлена действием про-

дукта его метаболизма – формальдегида, который образуется при окислении метанола под действием алкогольдегидрогеназы. Один из

617

методов лечения при отравлении метанолом состоит в том, что больному назначают этанол (внутрь, внутривенно). Объясните механизм лечебного действия этанола в данном случае. Имеет ли значение количество вводимого этанола и почему?

Ответ: Этанол конкурирует с метанолом за активный центр алкогольдегидрогеназы, препятствуя наработке формальдегида. Преимущественное связывание алкогольдегидрогеназы с этанолом будет лишь при концентрации, превышающей концентрацию этанола. Поэтому доза вводимого этанола должна быть достаточно высокой.

3.Как удалить кофермент от апофермента? Ответ: Методом диализа или гель-фильтрации.

4.Кислая фосфатаза из простаты ингибируется тартрат-ионами,

аиз других органов этот фермент не ингибируется тартрат-ионами.

Как это можно использовать в диагностике рака простаты?

Ответ: Анализ активности фермента проводят в присутствии и в отсутствие тартрата. Разность между результатами измерений в этих двух пробах характеризует тартратчувствительную кислую фосфатазу простаты. При раке простаты активность тартратчувствительной кислой фосфатазы резко возрастает.

5.Чтобы сохранить сладкий вкус свежесобранной кукурузы, очищенные початки помещают на несколько минут в кипящую воду, а затем охлаждают в холодной воде. Кукуруза, обработанная таким образом и хранящаяся в замороженном виде, сохраняет свой сладкий вкус. В чем биологическая основа этой обработки?

Ответ: Фермент, ответственный за превращение сахара в крахмал, инактивируется при нагревании.

6.В лаборатории два студента независимо друг от друга выделили фермент лактатдегидрогеназу (из сердца цыпленка), восстанавливающую пируват в лактат. Фермент был получен в виде концентрированного раствора. Затем оба студента измерили ферментативную активность полученных ими растворов и определена Vmах, Кm и

удельная активность. При сравнении результатов оказалось, что значения Кm у них совпадали, а удельная активность у одного была равна

100, а у другого – 150. Чем отличались выделенные ферменты? Ответ: Степенью очистки. У первого студента фермент был ху-

же очищен от белков, вследствие чего оказалась ниже удельная активность.

Энергетика

1. Известно, что окисление сукцината с помощью ФАД- зависимых дегидрогеназ характеризуется G=-0,9 ккал, а окисление с

618

помощью НАД-зависимых дегидрогеназ G=+16,1 ккал. Что является

более подходящим акцептором для электронов при дегидрировании сукцината, почему?

Ответ: ФАД, так как отрицательное значение G свидетельствует об экзергонической реакции. Окисление сукцината НАД-зависимы-

ми дегидрогеназами требовало бы дополнительной энергии.

2.Напишите суммарное уравнение реакции окисления изолимонной кислоты (изоцитрат) в суспензии митохондрий, содержащей избыток неорганического фосфата, АДФ при добавлении малоновой кислоты (малонат) и 2,4-динитрофенола. Объясните механизм действия малоната и 2,4-динитрофенола.

Ответ: Изоцитрат+Фн+АДФ→сукцинат+2СО2+АТФ. Малонат –

конкурентный ингибитор сукцинатдегидрогеназы, поэтому будут протекать реакции от изоцитрата только до сукцината. 2,4-динитрофенол

–протонофор, разобщитель дыхания и фосфорилирования, поэтому образуется лишь одна молекула АТФ методом субстратного фосфорилирования.

3.Почему прием внутрь разобщителей тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования вызывает обильное потоотделение и повышение температуры тела. Объясните это явление на молекулярном уровне. Как изменяется отношение Р/О в присутствии разобщающих агентов?

Ответ: В присутствии разобщителей энергия электрохимического потенциала рассеивается в виде тепла. Коэффициент Р/О уменьшается.

4.В эксперименте с изолированными митохондриями в качестве окисляемого субстрата использовали малат. Как изменится коэффициент Р/О, если: а) в инкубационную смесь добавить ингибитор НАДН-дегидрогеназы; б) вместе с ингибитором добавить сукцинат?

Ответ: а) окислительное фосфорилирование не происходит, т.е. коэффициент Р/О равен 0; б) сукцинат окисляется в укороченной дыхательной цепи, поэтому коэффициент Р/О будет равен 2.

5.Многие организмы (ряд бактерий, дрожжи, паразитирующие черви) не нуждаются в кислороде. Какой из известных двух способов образования АТФ используется в этих организмах для аккумуляции энергии?

Ответ: субстратное фосфорилирование.

Обмен углеводов

1. У больного ребенка с умственной отсталостью молоко вызы-

вает понос и рвоту. В плазме крови обнаружена низкая концентрация

619

глюкозы, но высокое содержание редуцирующих сахаров. В моче обнаруживается галактоза. Объясните почему в плазме крови наблюдается высокое содержание редуцирующих сахаров, а в моче обнаруживается галактоза?

Ответ: Недостаточность галактозо-1-фосфатуридилтрансферазы

приводит к накоплению в тканях и плазме крови галактозы. Увеличение уровня редуцирующих сахаров обусловлено накоплением галактозы в плазме крови. Избыток галактозы удаляется мочой.

2.Больной ребенок не переносит молока. Как только он его выпьет, начинается рвота и понос. При проведении теста на толерантность к лактозе (больной получает определенное количество лактозы,

азатем через определенные промежутки времени определяют концентрацию глюкозы и галактозы в сыворотке крови; в норме – через час уровень их возрастает, а затем снижается) установлено, что у больного концентрация галактозы и глюкозы в крови не увеличивалась, а оставалась постоянной. Почему у больного не происходит изменений в содержании сахаров в крови?

Ответ: Недостаточность лактазы кишечного сока. Исключить лактозу (молоко) из диеты.

3.Возможен ли синтез глюкозы из пирувата, если цикл трикарбоновых кислот и окислительное фосфорилирование полностью ингибированы?

Ответ: Нет. Для глюконеогенеза необходима энергия АТФ и ГТФ и восстановительные эквиваленты (НАДН+Н+). Энергия и вос-

становительные эквиваленты образуются в цикле трикарбоновых кислот и в процессе окислительного фосфорилирования при катаболизме аминокислот, жирных кислот или углеводов.

4.Как влияет повышение концентраций АТФ и АМФ на каталитическую активность фосфофруктокиназы?

Ответ: Фосфофруктокиназа активируется при повышении концентрации АМФ и ингибируется при повышении концентрации АТФ.

5.Чем обусловлено быстрое повышение лактата в крови при физической нагрузке? Что является причиной снижения уровня лактата после физической нагрузки?

Ответ: Повышение концентрации лактата обусловлено увеличением скорости гликолиза. Причиной снижения уровня лактата является превращение лактата в глюкозу через пируват.

6.Может в клетках животных лактат образоваться из жирных ки-

слот?

Ответ: Нет, так как жирные кислоты распадаются до ацетил-КоА,

который не превращается в пируват, а значит и лактат.

620

Обмен липидов

1.Что означает выражение «жиры сгорают в пламени углеводов» и почему этот процесс нарушается при голоде и диабете?

Ответ: В результате катаболизма жиров (бета-окисление жирных кислот) образуется ацетил-КоА, который «сгорает» в цикле три-

карбоновых кислот после конденсации со ЩУК (щавелевоуксусной кислотой). ЩУК образуется из пирувата путем его карбоксилирования (путь, пополняющий запасы ЩУК). При голодании и сахарном диабете в клетке образуется мало пирувата, а, следовательно, и ЩУК. Из-за возникающего относительного дефицита ЩУК ацетил-КоА накапли-

вается и превращается в кетоновые тела.

2.В гепатоцитах человека, злоупотребляющего алкоголем, нарушен синтез фосфолипидов и белков. Как это повлияет на содержание в печени нейтральных жиров?

Ответ: В печени будут накапливаться триглицериды и эфиры холестерина, так как фосфолипиды и белки необходимы для выведения триглицеридов из гепатоцитов в составе ЛПОНП.

3.Как распределяется изотопная метка в молекуле пальмитиновой кислоты, синтезированной из малонил-КоА, меченого 14С по угле-

родному атому карбоксильной группы?

Ответ: Метка не будет обнаруживаться, так как она теряется в виде СО2.

4.С чем связано гемолитическое действие змеиного яда?

Ответ: Наличием фосфолипазы А2 – фермента, отщепляющего

жирную кислоту из положения 2 фосфатидилхолина мембран эритроцитов и переводящего его в детергент – лизофосфатидилхолин.

5.Некоторые из применяемых в кулинарии жиров, например, сливочное масло, быстро портятся при хранении на воздухе при комнатной температуре, тогда как свойства твердых жиров типа маргарина в аналогичных условиях меняются мало. Почему?

Ответ: Ненасыщенные жирные кислоты, содержащиеся в больших количествах в сливочном масле, легко окисляются кислородом воздуха.

6.Объясните, какими свойствами липидов мембран обеспечивается образование из липидного бислоя замкнутых структур – липосом. Каково биологическое значение этих свойств и как они связаны со структурой биологических мембран?

Ответ: Липиды, образующие бимолекулярные слои, относятся к амфипатическим молекулам, т.е. они содержат гидрофильную и гидрофобную части. Чтобы уменьшить соприкосновение гидрофобной части молекулы с водой, липиды формируют двумерные пленки, в ко-

621