Funktsional'naia_biokhimiia

11

Рисунок 1.1. – Активный транспорт ионов Са2+ в актомиозиновой системе скелетной мышцы

Объяснения в тексте

Обычно мембрана лизосом с высокой эффективностью предотвращает высвобождение потенциально опасного арсенала лизосомных ферментов в цитоплазму; на мембрану лизосом эти ферменты не действуют. В нормальных условиях контакт субстратов лизосомных ферментов с самими ферментами происходит в результате образования вторичных лизосом. Материалы внеклеточной среды адсорбируются на плазматической мембране, которая затем, впячиваясь, образует пузырьки. Эти пузырьки мигрируют в цитоплазму, где сливаются с первичными лизосомами, продуцируемыми системой Гольджи. Образующиеся структуры получили название вторичных лизосом.

Иногда отдельные участки цитоплазмы, содержащие митохондрии и другие органеллы, оказываются внутри крупных мембранных образований (вакуолей). Происхождение мембран этих вакуолей остается неясным. Такие вакуоли, называемые аутофагирующими, содержат лизосомные гидролазы и поэтому эквивалентны в некоторой степени вторичным лизосомам. Возникновение аутофагии связано часто с изменением характера метаболизма (например, при процессах инволюции ткани) или с длительным голоданием (когда некоторые части клетки разрушаются для того, чтобы поддержать метаболизм).

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

12

В результате ферментативного гидролиза содержимого вторичных лизосом образуются низкомолекулярные водорастворимые продукты (сахара, жирные кислоты, аминокислоты и т. д.), которые затем попадают в цитоплазму. Этот внутриклеточный переваривающий аппарат используется как для переваривания захваченной пищи или внутриклеточных материалов, так и для разрушения вредных продуктов, попадающих в клетку извне, например чужеродных белков, бактерий и вирусов.

Цитоплазматические ферменты остаются в клетке благодаря плазматической мембране. Однако эта мембрана также может получить повреждения при воздействии описанных выше агентов, а также вследствие дефицита метаболической энергии, возникающего часто при аноксии, связанной с нарушением притока крови к клеткам, или при инфекции. Во всех этих случаях ферменты вытекают во внеклеточную среду, а оттуда поступают в кровь. При небольших повреждениях возможно восстановление клеточной мембраны, однако серьезные нарушения в структуре приводят к гибели клеток и к массированному высвобождению цитоплазматических ферментов, а также ферментов из внутриклеточных органелл. В клинике изучение уровня, характера и кинетики активности внутриклеточных ферментов в крови играет весьма важную роль при определении локализации, течения и тяжести патологического процесса.

4. Вклад биохимических функций органов и тканей в поддержание гомеостазиса и обеспечение адаптации организма.

Живой организм – открытая система, имеющая связь с окружающей средой посредством нервной, пищеварительной, дыхательной, выделительной систем и др. В процессе обмена веществ с пищей, водой, при газообмене в организм поступают разнообразные химические соединения, которые в организме подвергаются изменениям, входят в структуру организма, но не остаются постоянно. Усвоенные вещества распадаются, выделяют энергию, продукты распада удаляются во внешнюю среду.

Гомеостаз – свойство живого организма сохранять относительное динамическое постоянство внутренней среды. Гомеостаз выражается в относительном постоянстве химического состава, осмотического давления, устойчивости основных физиологических функций. Гомеостаз специфичен и обусловлен генотипом.

Сохранение целостности индивидуальных свойств организма один из наиболее общих биологических законов. Этот закон обеспечивается в вертикальном ряду поколений механизмами воспроизведения, а на протяжении жизни индивидуума – механизмами гомеостаза.

Явление гомеостаза представляет собой эволюционно выработанное, наследственно-закрепленное адаптационное свойство организма к обычным условиям окружающей среды. Однако эти условия могут кратковременно или длительно выходить за пределы нормы. В таких случаях явления адаптации характеризуются не только восстановлением обычных свойств

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

13

внутренней среды, но и кратковременными изменениями функции (например, учащение ритма сердечной деятельности и увеличение частоты дыхательных движений при усиленной мышечной работе). Реакции гомеостаза могут быть направлены на:

1.поддержание известных уровней стационарного состояния;

2.устранение или ограничение действия вредностных факторов;

3.выработку или сохранение оптимальных форм взаимодействия организма и среды в изменившихся условиях его существования. Все эти процессы и определяют адаптацию.

Поэтому понятие гомеостаза означает не только известное постоянство различных физиологических констант организма, но и включает процессы адаптации и координации физиологических процессов, обеспечивающих единство организма не только в норме, но и при изменяющихся условиях его существования.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

14

ТЕМА № 2 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ КРОВИ

План:

1.Химический состав и функции крови. Электролитный состав плазмы

иего значение.

2.Белковые фракции крови. Другие органические компоненты крови.

3.Биохимическая характеристика форменных элементов крови.

4.Метаболизм в эритроцитах. Биосинтез и деградация гема. Обмен

железа.

5.Дыхательная функция крови.

6.Гемостатическая функция крови.

7.Буферные системы крови и кислотно-основное равновесие.

8.Иммунологическая функция крови.

1. Химический состав и функции крови. Электролитный состав плазмы и его значение.

Кровь человека составляет примерно 8% от массы тела. Кровь состоит из клеток, клеточных фрагментов и водного раствора, плазмы. Доля клеточных элементов в общем объеме называется гематокритом и составляет примерно 45%.

Кровь осуществляет в организме различные функции. Она является транспортным средством, поддерживает постоянство «внутренней среды» организма (гомеостаз) и играет главную роль в защите от чужеродных веществ:

1)Транспорт. Кровь переносит газы – кислород и диоксид углерода, а также питательные вещества к печени и другим органам после всасывания в кишечнике. Такой транспорт обеспечивает снабжение органов и обмен веществ в тканях, а также последующий перенос конечных продуктов метаболизма для их выведения из организма легкими, печенью и почками. Кровь осуществляет также перенос гормонов в организме.

2)Гомеостаз. Кровь поддерживает водный баланс между кровеносной системой, клетками (внутриклеточным пространством) и внеклеточной средой. Кислотно-основное равновесие в крови регулируется легкими, печенью и почками. Поддержание температуры тела также зависит от контролируемого кровью транспорта тепла.

3)Защита. Против чужеродных молекул и клеток, проникающих в организм, кровь обладает неспецифическими и специфическими механизмами защиты. К специфической защитной системе относятся клетки иммунной системы и антитела.

4)Гемостаз. Для предотвращения кровопотери при повреждении кровеносных сосудов в крови существует эффективная система коагуляции –

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

15

физиологическое свертывание. Растворение кровяных сгустков (фибринолиз) также обеспечивается кровью.

Плазма представляет собой жидкую часть крови желтоватого цвета, слегка опалесцирующую, в состав которой входят различные соли (электролиты), белки, липиды, углеводы, продукты обмена, гормоны, ферменты, витамины и растворенные в ней газы.

Электролитный состав плазмы важен для поддержания ее осмотического давления, кислотно-щелочного состояния, функций клеточных элементов крови и сосудистой стенки, активности ферментов, процессов свертывания крови и фибринолиза. Поскольку плазма крови постоянно обменивается электролитами с микросредой клеток, содержание в ней электролитов в значительной мере определяет и фундаментальные свойства клеточных элементов органов – возбудимость и сократимость, секреторную активность и проницаемость мембран, биоэнергетические процессы.

Содержание натрия и калия в плазме и эритроцитах отличается также, как и в других клетках и внеклеточной среде, и, соответственно, обусловлено различиями проницаемости мембран и работой К+/Na+- насосов клеток. Часть катионов плазмы связана с анионами органических кислот и белков, что играет роль в поддержании кислотно-щелоч­ного состояния и необходимо для реализации функций белков.

Отличается в плазме и эритроцитах содержание и ряда анионов, прежде всего хлора и бикарбоната. Эти различия обусловлены обменом этих анионов между эритроцитами и плазмой в капиллярах легких и тканей при дыхании.

Содержание натрия и калия в плазме крови – жесткие гомеостатические константы, зависящие от баланса процессов поступления и выведения ионов, а также их перераспределения между клетками и внеклеточной средой. Регуляция гомеостазиса этих катионов осуществляется изменениями поведения (большее или меньшее потребление соли) и системами гуморальной регуляции, среди которых основное значение имеют ренин-ангиотензин-альдостероновая система и натриуретический гормон предсердий. Жесткой гомеостатической константой является и концентрация кальция в плазме крови. Кальций содержится в двух формах: связанной (с белками, в комплексных соединениях, малорастворимых солях) и свободной, ионизированной (Са2+). Основные биологические эффекты кальция обусловлены его ионизированной формой. В цитозоле клеток ионизированного кальция содержится мало, но его количество чрезвычайно тонко регулируется, поскольку этот катион является важнейшим регулятором обменных процессов и функций клеток. Поступление кальция в клетки из внеклеточной среды связано с его уровнем в микросреде и плазме крови, хотя в большей степени зависит от специальных транспортных мембранных механизмов (каналов, насосов, переносчиков).

В клеточном цитозоле ионизированный кальций связывается с белками, а также удаляется с помощью специальных Са2+-насосов во

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

16

внутриклеточные депо (митохондрии, цитоплазматический ретикулум) и наружу в микросреду клеток. Содержащийся в плазме крови ионизированный кальций помимо того, что является источником для транспорта внутрь клеток, необходим для обеспечения физико-химических свойств плазменных белков, активности ферментов, например, для реализации механизмов свертывания крови. Регуляция уровня ионизированного кальция в плазме крови осуществляется специальной гуморальной системой, включающей ряд кальций-регулирующих гормонов: околощитовидных желез (паратирин), щитовидной железы (кальцитонин и его аналоги), почек (кальцитриол).

В плазме крови содержится и большое число различных микроэлементов. Как минимум 15 микроэлементов, содержащихся в плазме крови, например, медь, кобальт, марганец, цинк, хром, стронций и др., играют важную роль в процессах метаболизма клеток и обеспечении их функций, поскольку входят в состав ферментов, катализируют их действие, участвуют в процессах образования клеток крови и гемоглобина (гемопоэзе) и др.

Осмотическое давление крови. Осмотическим давлением называется сила, которая заставляет переходить растворитель (для крови это вода) через полупроницаемую мембрану из менее концентрированного раствора в более концентрированный. Осмотическое давление крови вычисляют криоскопическим методом с помощью определения депрессии (точки замерзания), которая для крови составляет 0,56-0,58 °С.

Осмотическое давление крови зависит в основном от растворенных в ней низкомолекулярных соединений, главным образом солей. Около 60% этого давления создается NaCl. Осмотическое давление в крови, лимфе, тканевой жидкости, тканях приблизительно одинаково и отличается постоянством. Даже в случаях, когда в кровь поступает значительное количество воды или соли, осмотическое давление не претерпевает существенных изменений. При избыточном поступлении в кровь вода быстро выводится почками и переходит в ткани и клетки, что восстанавливает исходную величину осмотического давления. Если же в крови повышается концентрация солей, то в сосудистое русло переходит вода из тканевой жидкости, а почки начинают усиленно выводить соли. Продукты переваривания белков, жиров и углеводов, всасывающиеся в кровь и лимфу, а также низкомолекулярные продукты клеточного метаболизма могут изменять осмотическое давление в небольших пределах.

2. Белковые фракции крови. Другие органические компоненты крови.

Плазма крови человека содержит более 1 000 различных видов белков, однако для немногих из них известны физиологические функции. Их свойства и структуры весьма гетерогенны, а концентрации в плазме крови существенно различаются. Основными белками плазмы крови являются

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

17

альбумины, различные фракции глобулинов, фибриноген, липопротеины, гликопротеины и металлопротеины. Большинство белков плазмы являются гликопротеинами, с содержанием углеводов 10-25%. Исключением является альбумин, который не содержит углеводных компонентов. Вместе с неорганическими ионами, глюкозой и другими низкомолекулярными веществами белки плазмы в целом образуют специфическую коллоидную систему с особыми физикохимическими свойствами. Из 9-10% сухого остатка плазмы крови на долю белков приходится 6,5-8,5%. Концентрация белков в плазме крови зависит от соотношения между скоростью их синтеза и выведения из организма, а также объема распределения (т.е. ОЦК – объема циркулирующей крови).

Белки плазмы необходимы для поддержания коллоидно-осмотического (онкотического) давления, сохраняя нужный объем крови, связывая воду и задерживая ее, не позволяя ей выходить из кровеносного русла. Белки поддерживают постоянство рН крови, являясь одной из буферных систем крови. Белки плазмы необходимы для транспорта липидов, продуктов метаболизма (холестерин, билирубин), гормонов, лекарств и следовых элементов крови. Белки поддерживают нормальный уровень катионов в крови путем образования с ними недиализируемых соединений; например, значительная часть железа, меди, магния и других микроэлементов связана с белками. Белки плазмы – иммуноглобулины – являются интегральной частью системы иммунитета. Их специфическое действие поддерживается и дополняется белками комплемента, Среактивным белком, а также рядом других белков. Некоторые белки плазмы обладают ферментативной активностью, а другие служат ингибиторами ферментов. Динамическое равновесие между активностью и торможением ферментов особенно важно для поддержания баланса между свертыванием крови и фибринолизом.

Белки плазмы важны для обеспечения транспорта многих веществ от места их образования или абсорбции к месту их разрушения. Они могут играть роль в метаболизме этих веществ, взаимодействуя с ферментами или рецепторами клеток. Так, альбумин является основным транспортным белком.

Другие белки ответственны за перенос определенных веществ, включая аполипопротеины, трансферрин, гаптоглобин, гемопексин, ретинолсвязывающий белок, тироксин-связывающий белок, преальбумин, связывающий половые гормоны глобулин, транскобаламин, транскортин. Альбумин служит главным белком, поддерживающим осмотическое давление, хотя другие белки с близкой молекулярной массой также участвуют в этой функции. Белки плазмы являются важной частью буферной способности плазмы благодаря амфотерной природе аминокислот в белках.

Ряд белков содержатся в плазме в низкой концентрации и являются или белками мембран клеток, или белками, связанными с опухолями, например онкофетальные белки (α-фетопротеин, раковоэмбиональный антиген) или белки, обычно не синтезируемые в ткани, подвергшейся опухолевому росту.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

18

Выделяют следующие фракции: преальбумины, альбумины, α1 -, α2- , β, γ-глобулины и фибриноген. Соотношение количества белков этих фракций имеет важное диагностическое значение.

1)Преальбумины выполняют транспортную функцию. Переносят тироксин и ретинол. Содержание этого белка снижается при циррозе и хроническом гепатите печени, когда нарушается ее белоксинтезирующая активность.

2)Альбумины – наиболее гомогенная фракция белков крови. Основная функция – связывание воды, что обеспечивает коллоидно-осмотическое (онкотическое) давление в крови. Альбумины транспортируют ионы магния, кальция, билирубин, свободные жирные кислоты, стероидные гормоны, такие лекарственные соединения как антибиотики, барбитураты, сердечные гликозиды. Снижение содержание альбуминов наблюдается при повышении проницаемости сосудов клубочка нефрона (нефротический синдром) и заболеваниях печени.

3)α1-глобулины. К этой фракции относятся два белка:

Антитрипсин – ингибитор таких протеиназ, как трипсин, химотрипсин, плазмин. Его содержание повышается при воспалительных заболеваниях и механических повреждениях тканей.

Гликопротеин содержит в составе около 40% углеводов. Транспортирует стероиды. Повышается его содержание при воспалительных процессах, снижается при циррозе печени.

4) α2-глобулины содержат следующие белки:

Макроглобулин – цинксодержащий гликопротеин с большой молекулярной массой. Ингибирует протеолитические ферменты, как и антитрипсин. Содержание его увеличивается при циррозе, нефротическом синдроме, сахарном диабете и не изменяется при воспалении.

Гаптоглобин связывает и транспортирует свободный гемоглобин А. Содержание снижается при поражениях паренхимы печени, гемолитической анемии. Увеличивается при воспалении и сахарном диабете.

Церулоплазмин – медьсодержащий белок. Окисляет двухвалентное железо в трехвалентное.

3) β-глобулины представлены двумя белками:

Трансферрин участвует в транспорте трехвалентного железа. Гемопексин переносит свободный гем, порфирин. Связывает

гемсодержащие белки и переносит их в печень для разрушения.

4) γ-глобулины. В этой фракции представлены антитела. Эти белки обладают двоякой специфичностью: по отношению к данному виду животного и к белку-антигену, вызвавшему образование антител. Они состоят из двух цепей тяжелой и легкой, соединенных между собой дисульфидными связями.

Помимо вышеперечисленных белков в состав плазмы крови входят факторы коагуляции:

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

19

1)фибриноген – фибриллярный белок, который образует основу

тромба;

2)протромбин – кальций-связывающий белок, предшественник тромбина – фермента, который катализирует превращение фибриногена в фибрин;

3)ионизированный кальций – обеспечивает сближение и оптимальную ориентацию ферментов гемостаза;

4)проакцелерин – липопротеид, обеспечивает нормальную взаимоориентацию;

5)проконвертин – кальцийсвязывающий белок;

6)антигемофилический глобулин – гликопротеид.

И еще ряд гликопротеидов. Их взаимодействие направлено на превращение растворимого белка фибриногена в нерастворимый фибрин.

Ферменты крови делят на секреторные и клеточные. К секреторным относятся ферменты свертывания крови и холинэстераза. Они образуются в печени и секретируются в кровяное русло. Клеточные ферменты в плазме содержатся в очень малых количествах, т.к. не секретируются, а функционируют в клетках. Попадают они в кровь при различных патологических состояниях, поэтому их часто называют маркерными ферментами. К таковым относятся: АлАТ, АсАТ, ЛДГ, липаза, амилаза, кислая и щелочная фосфатазы, креатинфосфокиназа.

Небелковые компоненты плазмы. Поскольку основная функция крови транспортная, то в ней обнаруживаются многие компоненты белкового, углеводного, липидного и минерального обменов. В качестве компонентов белкового обмена в крови содержатся аминокислоты, мочевина, креатин и креатинин, мочевая кислота. К компонентам углеводного обмена относятся: глюкоза, фруктоза, галактоза, молочная кислота, пировиноградная кислота, альфа-оксимаслянная кислота, гликопротеины и сиаловые кислоты. Компоненты липидного обмена: фосфолипиды, нейтральные липиды, неэтерифицированные жирные кислоты, холестерин и его эфиры, липопротеиды низкой плотности и липопротеиды высокой плотности.

Основными неорганическими компонентами плазмы крови являются: анионы бикарбонатов, хлоридов, фосфатов, сульфатов, катионы кальция, магния, калия, натрия, железа, меди.

3. Биохимическая характеристика форменных элементов крови.

Основную массу клеток составляют эритроциты (36-48%). Их основной белок – гемоглобин. В процессе своего развития эритроциты теряют ядро и митохондрии. В них остаются лишь системы, восстанавливающие структуры мембран и антиоксидантные системы. В частности, в процессе работы гемоглобина образуется супероксидный ион. Супероксиддисмутаза (СОД) катализирует превращение его в пероксид водорода, который разрушается каталазой и глутатионпероксидазой. При этом окисляется глутатион, который затем восстанавливает

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

20

глутатионредуктаза при участии НАДФН. Ферменты, осуществляющие метаболизм эритроцитов синтезируются в процессе их созревания. Единственным источником энергии в эритроцитах является анаэробное окисление глюкозы до лактата.

Лейкоциты имеют в своем составе ядро и митохондрии и являются стандартными клетками, в которых происходит гликолиз, окислительное фосфорилирование и может запасаться и использоваться гликоген.

Фагоцитирующие формы лейкоцитов отличаются усиленным гликолизом и высокой активностью ПФП. Усиленно обновление фосфатидной кислоты и фосфоглицеридов, что составляет основу клеточных мембран, которые расходуются в процессе фагоцитоза. При поглощении бактерии активируется потребление кислорода и образование супероксидного аниона, который накапливается в вакуоли и оказывает бактерицидное действие. В это время в самой клетке активируется каталаза и пероксидаза, но внутрь вакуоли они не проникают. Лейкоциты способны синтезировать гамма-глобулин и поэтому обладают высокой серостью обновления РНК.

Тромбоциты – маленькие кровяные пластинки без ядра, участвующие

вфункции гемостаза (об этом смотрите ниже).

4.Метаболизм в эритроцитах. Биосинтез и деградация гема. Обмен

железа.

Особенности метаболизма в эритроцитах. Эритроциты являются метаболически активными клетками и содержат более 40 различных ферментов. Энергетическое обеспечение эритроцита осуществляется за счет утилизации глюкозы в реакциях анаэробного гликолиза. Эффективность гликолиза характеризуется образованием двух молекул АТФ на одну молекулу глюкозы, однако это небольшое количество энергии обеспечивает эритроциту выполнение всех его функций.

Основная доля энергии АТФ расходуется в эритроцитах на транспорт ионов, функционирование АТФ-азных систем и поддержание электролитного баланса клетки. Макроэргические фосфатные связи АТФ необходимы также и для инициации реакций гликолиза и пентозофосфатного цикла.

Наиболее важные реакции гликолиза протекают с участием следующих ферментов: гексокиназы, фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Отличительной особенностью гликолиза в эритроцитах по сравнению с другими клетками является выработка значительного количества 2,3- дифосфоглицериновой кислоты, регулирующей кислородосвязывающую функцию гемоглобина.

Кроме гликолиза в эритроцитах происходит прямое окисление глюкозы

впентозофосфатном цикле, на долю которого приходится 10-11 % всего энергетического метаболизма клетки. Ключевыми ферментами пентозофосфатного цикла являются глюкозо-6-фосфат-дегидротеназа, 6- фосфоглюконатдегидрогеназа. В процессе пентозофосфатного окисления

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ