Funktsional'naia_biokhimiia

191

В организме взрослого человека в костной ткани содержится более 1 кг кальция. За счет активности костеобразующих клеток, остеобластов, и клеток, разрушающих костную ткань, остеокластов, кальций постоянно откладывается и вновь вымывается из кости. Витамин D является предшественником 1,25-диоксихолекальциферола, который стимулирует всасывание Са2+ в кишечнике. Основная часть кальция поступает в организм

ввиде фосфата кальция, потому что именно в такой форме он содержится в пищевых продуктах. Однако всасывание Са2+ в кишечнике ограничено, вследствие плохой растворимости большинства его солей. У взрослых всасывается менее половины общего количества кальция, поступающего с пищей. Витамин D увеличивает всасывание кальция через несколько часов после введения; эта задержка во времени обусловлена необходимостью образования из витамина D его биологически активной формы – 1,25диоксихолекальциферола, что происходит в печени и почках путем

последовательного гидроксилирования.

Диоксипроизводное стимулирует образование в кишечнике Са2+- связывающего белка, который вместе с Са2+-зависимой АТФ-азой участвует

втранпорте иона. Кроме того, 1,25-диоксихолекальциферол оказывает

непосредственное влияние на метаболизм кости. Интоксикация витамином D приводит к рассасыванию кости и увеличению концентрации Са2+ и неорганического фосфата в сыворотке крови. Повышение концентрации Са2+

вкрови приводит к увеличению концентрации этих ионов в моче и образованию камней в почках. Недостаток кальцитриола у детей приводит к заболеванию рахитом, а у взрослых может вызвать нарушение обмена веществ в костной ткани.

Аскорбиновая кислота имеет существенное значение для нормального развития скелета, так как при ее недостатке нарушается формировании коллагена (см. выше).

Паратгормон, гормон паращитовидных желез, участвует в метаболизме Са2+ и неорганического фосфата. Введение гормона сначала вызывает деполимеризацию агрегатов протеогликанов в менее плотных частях костей, затем наблюдается исчезновение кристаллической структуры и матрикса.

Влияние кальцитонина противоположно влиянию паратгормона: кальцитонин стимулирует перенос Са2+ и неорганического фосфата из крови

вкости, ускоряет отложение кальция и ингибирует его выход из костей. Нарушения метаболизма костной ткани, которые приводят к ее

частичному рассасыванию, могут возникать вследствие неправильного образования матрикса (остеопороз). Остеопороз чаще всего наблюдается после менопаузы в результате снижения эстрогенной активности, что свидетельствует о существенной роли эстрогенов в метаболизме кости.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

192

7. Особенности биохимии хрящевой ткани.

Хрящевая ткань является особым видом соединительной ткани и в сформированном организме выполняет опорную функцию. В челюстнолицевой области хрящ входит в состав ушной раковины, слуховой трубы, носа, суставного диска височно-нижнечелюстного сустава, а также обеспечивает связь между мелкими костями черепа.

Функции и особенности хрящевой ткани:

–формообразующая;

–опорно-механическая;

–защитная;

–участие в водно-минеральном обмене;

–способность к непрерывному росту;

–низкий уровень метаболизма.

Хрящевая ткань (гиалиновая, эластическая, волокнистая), как и другие варианты соединительной ткани, состоит из клеток (прехондробласты, хондробласты, хондроциты) и межклеточного матрикса. Последний обеспечивает основные свойства – прочность и упругость ткани. В его составе содержится до 75% воды, что позволяет веществам из сосудов надхрящницы диффундировать в хрящевой матрикс (т.к. он не имеет кровеносных сосудов) и осуществлять питание хондроцитов.

Разные клетки хрящевой ткани имеют разную функциональную роль. Полустволовые прехондробласты – клетки веретенообразной формы. Хондробласты – клетки овальной формы, способные к делению и главной функцией которых является синтез межклеточного вещества. Хондроциты являются клетками зрелого хряща, они округлы, расположены обычно группами и способны секретировать матрикс, однако метаболически они малоактивны. Хондроциты включают хорошо развитые гранулярную эндоплазматическую сеть и комплекс Гольджи. Многочисленные вакуоли содержат коллагены, протеогликаны, гликопротеины, секретируемые позднее в матрикс.

Межклеточный матрикс хрящевой ткани обеспечивает её сложную микроархитектонику и состоит из коллагенов, протеогликанов, а также неколлагеновых белков – в основном гликопротеинов. Коллагеновые волокна переплетены в трёхмерную сеть, которая связывает остальные компоненты матрикса.

В цитоплазме хондробластов содержится большое количество гликогена и липидов. Распад этих макромолекул в реакциях окислительного фосфорилирования сопровождается образованием молекул АТФ, необходимых для синтеза белков. Синтезируемые в гранулярной эндоплазматической сети и комплексе Гольджи протеогликаны и гликопротеины упаковываются в везикулы и выделяются в межклеточный матрикс.

Упругость хрящевого матрикса определяется количеством воды. Для протеогликанов характерна высокая степень связывания воды, чем и

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

193

обусловлены их размеры. Хрящевой матрикс содержит до 75% воды, которая связана с протеогликанами. Высокая степень гидратации обусловливает большие размеры межклеточного матрикса и позволяет осуществлять питание клеток. Высушенный агрекан после связывания воды может увеличиться в объёме в 50 раз, однако ввиду обусловленных коллагеновой сетью ограничений набухание хряща не превышает 20 % от максимально возможного значения.

При сжатии хряща вода вместе с ионами вытесняется из областей вокруг сульфатированных и карбоксильных групп протеогликана, группы сближаются, и силы отталкивания между их отрицательными зарядами препятствуют дальнейшему сжатию ткани. После снятия нагрузки происходит электростатическое притяжение катионов (Na+, К+, Са2+) с последующим притоком воды в межклеточный матрикс (рис. 7.23).

Рисунок 7.23. – Связывание воды протеогликанами в матриксе хряща

Вытеснение воды при его сжатии и восстановление структуры после снятия нагрузки

Коллагеновые компоненты хрящевой ткани. Прочность хрящевой ткани определяют коллагеновые белки, которые представлены коллагенами II, VI, IX, XII, XIV типов и погружены в макромолекулярные агрегаты протеогликанов. На долю коллагенов II типа приходится около 80-90% всех коллагеновых белков хряща. Остальные 15-20% коллагеновых белков – так называемые минорные коллагены IX, XII, XIV типов, которые сшивают фибриллы коллагена II типа и ковалентно связывают гликозаминогликаны. Особенностью матрикса гиалинового и эластического хрящей является присутствие коллагена VI типа.

Коллаген IX типа, обнаруженный в гиалиновом хряще, не только обеспечивает взаимодействие коллагена II типа с протеогликанами, но и регулирует диаметр фибрилл коллагена II типа. С коллагеном IX типа по своей структуре сходен коллаген X типа. Этот тип коллагена синтезируется только гипертрофированными хондроцитами ростовой пластинки и

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

194

накапливается вокруг клеток. Данное уникальное свойство коллагена X типа предполагает участие этого коллагена в процессах костеобразования.

Неколлагеновые компоненты хрящевой ткани. В протеогликанах из гликозаминогликановов преобладают хондроитинсульфаты и гиалуроновая кислота. В целом содержание протеогликанов в хрящевом матриксе достигает 3-10%. Основным протеогликаном хрящевой ткани является агрекан, который собирается в агрегаты с гиалуроновой кислотой. По форме молекула агрекана напоминает бутылочный ёршик и представлена одной полипептидной цепью (коровый белок) с присоединёнными к ней до 100 цепей хондроитинсульфата и около 30 цепей кератансульфата (рис. 7.24).

Рисунок 7.24. – Протеогликановый агрегат хрящевого матрикса

Протеогликановый агрегат состоит из одной молекулы гиалуроновой кислоты и около 100 молекул агрекана.

В структуре корового белка агрекана выделяют N-концевой домен, который обеспечивает связывание агрекана с гиалуроновой кислотой и низкомолекулярными связывающими белками, и С-концевой домен, связывающий агрекан с другими молекулами межклеточного матрикса. Синтез компонентов протеогликановых агрегатов осуществляется хондроцитами, и окончательный процесс их формирования завершается в межклеточном матриксе.

Наряду с большими протеогликанами в хрящевом матриксе приутствуют малые протеогликаны: декорин, бигликан и фибромодулин. Они составляют всего 1-2% от общей массы сухого вещества хряща, однако их роль очень велика. Декорин, связываясь в определённых участках с

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

195

волокнами коллагена II типа, участвует в процессах фибриллогенеза, а бигликан участвует в формировании белковой матрицы хряща в процессе эмбриогенеза. С ростом эмбриона количество бигликана в хрящевой ткани уменьшается и после рождения этот протеогликан исчезает совсем. Регулирует диаметр коллагена II типа фибромодулин.

Помимо коллагенов и протеогликанов, во внеклеточном матриксе хряща содержатся неорганические соединения и небольшое количество неколлагеновых белков, характерных не только для хряща, но и для других тканей. Они необходимы для связывания протеогликанов с коллагеновыми волокнами, клеток, а также отдельных компонентов хрящевого матрикса в единую сеть. Это адгезивные белки – фибронектин, ламинин и интегрины. Большинство специфических неколлагеновых белков в хрящевом матриксе присутствует только в период морфогенеза, обызвествления хрящевого матрикса или появляются при патологических состояниях. Чаще всего это кальций-связывающие белки, содержащие остатки γ -карбоксиглутаминовой кислоты, а также гликопротеины, богатые лейцином.

Хондронектин – специфический белок, контролирует консистенцию матрикса, его мицеллы имеют площади для связывания коллагена II типа и протеогликанов в плазмолемме хондроцитов.

Другие неколлагеновые белки:

1)хондрокальцин – является кальций-связывающим белком, синтезируется гипертрофированными хондропластами и обеспечивает минерализацию хрящевого матрикса;

2)Gla-белок – высокомолекулярный, состоит из 84 аминокислот и пяти остатков γ-карбоксиглутаминовой кислоты. Является ингибитором минерализации хрящевой ткани. При нарушении его синтеза под влиянием варфарина образуются очаги минерализации с последующим обызвествлением хрящевого матрикса;

3)хондроадерин – гликопротеин с молекулярной массой 36 кДа, богатый лейциномороткие олигосахаридные цепи, состоящие из сиаловых кислот и гексозаминов, присоединяются к остаткам серина. Хондроадерин связывает коллагены II типа и протеогликаны с хондроцитами и контролирует структурную организацию внеклеточного матрикса хрящевой ткани;

4)белок хряща CILP – гликопротеин с мол. массой 92 кДа, содержащий олигосахаридную цепь, связаную с белком N-гликозид-ной связью. Белок синтезируется хондроцитами, участвует в расщеплении протеогликановых агрегатов и необходим для поддержания постоянства структуры хрящевой ткани.

В зависимости от состава, метаболической активности и способности к регенерации различают три типа хрящевой ткани – гиалиновый, эластический и волокнистый.

Гиалиновый хрящ формируется первым на эмбриональной стадии развития, и в определённых условиях из него образуются остальные два вида

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

196

хряща. Эта хрящевая ткань определяется в составе реберных хрящей, хрящевого остова носа и образует хрящи, покрывающие поверхности суставов. Он обладает более высокой метаболической активностью по сравнению с эластическим и волокнистым типами и содержит большое количество углеводов и липидов. Это позволяет осуществлять активный синтез белков и дифференцировку хондрогенных клеток для обновления и регенерации гиалинового хряща. С возрастом в гиалиновом хряще происходит гипертрофия и апоптоз клеток с последующим обызвествлением внеклеточного матрикса.

Эластический хрящ имеет сходное строение с гиалиновым хрящом. Из такой хрящевой ткани сформированы, например, ушные раковины, слуховая труба и некоторые хрящи гортани. Для этого типа хряща характерно присутствие в хрящевом матриксе сети эластических волокон, содержится малое количество липидов, углеводов и хондроитинсульфатов. Ввиду низкой метаболической активности эластический хрящ не обызвествляется и практически не регенерируется.

Волокнистый хрящ по своей структуре занимает промежуточное положение между сухожилием и гиалиновым хрящом. Характерной особенностью волокнистого хряща является наличие в межклеточном матриксе большого количества коллагеновых волокон, преимущественно I типа, которые располагаются параллельно друг другу, а клетки в виде цепочки между ними. Волокнистый хрящ благодаря своему особому строению может испытывать значительные механические нагрузки как при сжатии, так и растяжении.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

197

ТЕМА № 8 РЕГУЛЯЦИЯ И ИНТЕГРАЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА

План:

1.Механизмы регуляции биохимических процессов в органах и тканях

иих интеграция. Регуляторная роль нервной и эндокринной систем.

2.Прикладные аспекты функциональной биохимии.

1.Механизмы регуляции биохимических процессов в органах и тканях и их интеграция. Регуляторная роль нервной и эндокринной систем.

Для нормального функционирования организма должна осуществляться точная регуляция потока метаболитов по анаболическим и катаболическим путям. Все сопутствующие химические процессы должны протекать со скоростями, отвечающими требованиям организма как единого целого в условиях окружающей среды. Генерация АТФ, синтез макромолекул, транспорт, секреция, реабсорбция и другие процессы должны чутко реагировать на изменения в окружении, в котором находится клетка, орган или весь организм. Клеточный метаболизм основан на принципе максимальной экономии. Клетка потребляет в каждый данный момент как раз такое количество питательных веществ, которое позволяет ей удовлетворять свои энергетические нужды. Такая высокая организация и скоординированность метаболизма достигается с помощью регуляторных механизмов. Эти механизмы достаточно разнообразны.

Различают несколько уровней регуляции метаболизма: 1) Молекулярный;

2.Клеточный;

3)Органный (тканевой);

4)Организменный.

По времени достижения регуляторного эффекта различают быструю регуляцию (действующую в течение секунд и минут) и медленную регуляцию (в течение часов и суток).

Основными регуляторными механизмами являются:

1.Регуляция на уровне мембран.

2.Регуляция с участием циклических нуклеотидов и других вторичных посредников.

3.Регуляция количества ферментов.

4.Регуляция ферментативной активности.

5.Гормональная регуляция.

Регуляция на уровне мембран может осуществляться посредством нескольких механизмов. Во-первых, это избирательная проницаемость мембран для различных метаболитов и ионов. Во-вторых, способность мембран фиксировать гормоны с помощью рецепторов. В-третьих,

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

198

ферментативная активность мембран. На уровне мембран реализуются, по крайней мере частично, такие регуляторные факторы, как доступность субстратов и коферментов, удаление продуктов реакции. Циклические нуклеотиды и другие вторичные посредники участвуют в реализации действия целого ряда гормонов.

Регуляция количества ферментов. Концентрация любого фермента определяется соотношением скоростей его синтеза и распада. Скорость синтеза белков-ферментов регулируется с помощью механизмов, общих для регуляции синтеза других белков. Влияние регуляторных факторов может интегрально проявляться в виде репрессии или индукции синтеза фермента. Данный механизм относится к медленному типу регуляции метаболизма.

Регуляция активности ферментов. Это один из наиболее разнообразных методов регуляции метаболизма.

Аллостерическая регуляция метаболических путей. Аллостерические регуляторы бывают, как правило, двух типов:

1.Конечные продукты цепей последовательных реакций, регулирующие свой синтез по принципу обратной связи.

2.АТФ, АДФ, АМФ, НАД+ и НАДН+Н+. Эти соединения хотя и не являются конечными продуктами самих метаболических путей, но образуются в результате их протекания и оказывают регуляторное влияние на поточную скорость. АТФ служит активатором ферментов, действующих в направлении синтеза биополимеров и аккумуляции энергии и является ингибитором реакций катаболизма. АДФ, а иногда и АМФ играют обратную роль – они активируют пути катаболизма, обеспечивающие их превращение в

АТФ, ингибируют процессы анаболизма, связанные с потреблением АТФ, в котором клетки испытывают недостаток. НАД+ в этом смысле ведет себя подобно АМФ, НАДН+Н+ выступает в том же качестве, что и АТФ.

Как правило, аллостерические ферменты занимают место в начале мультиферментной последовательности реакций и катализируют ту её стадию, которая лимитирует скорость всего процесса в целом. Обычно роль такой стадии играет практически необратимая реакция. В некоторых случаях аллостерический фермент одного метаболического пути специфическим образом реагирует на промежуточные или конечные продукты другого. Благодаря этому достигается необходимая координация различных метаболических путей, направленная на обеспечение конкретных функций или процессов. Например, при мышечном сокращении возрастает скорость утилизации АТФ, необходимой для его энергообеспечения. При этом компенсаторно увеличивается скорость гликолиза с помощью регуляторных механизмов в соответствии с понижением уровня АТФ. В результате активации гликолиза увеличивается скорость наработки ацетил-КоА, являющегося субстратом цикла трикарбоновых кислот. Активация цикла

трикарбоновых кислот приводит к наработке повышенных количеств НАДН+Н+, который вовлекается в цепь тканевого дыхания, активность

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

199

которой при этом также увеличивается. Это приводит к ресинтезу АТФ и пополнению её пула, сниженного в результате мышечного сокращения.

Взаимосвязь (интеграция) метаболизма. Метаболизм в целом не следует понимать как сумму обменов белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов. В результате взаимодействия обменов отдельных классов органических соединений возникает единая система метаболических процессов, представляющая собой качественно новое образование. Обмены важнейших структурных мономеров живых систем – аминокислот, моносахаридов (глюкозы), жирных кислот, мононуклеотидов тесно взаимосвязан. Эта взаимосвязь осуществляется через так называемые ключевые метаболиты, которые служат общим звеном на путях распада или синтеза мономеров. Взаимосвязь обменов отдельных классов органических соединений особенно хорошо выражена в процессах их взаимного превращения, хотя и не сводится только к этому. Примером такого взаимопревращения может являться прирост массы тела за счет отложения подкожного жирового слоя при избыточном потреблении углеводной пищи. К ключевым метаболитам, которые служат узловыми моментами взаимосвязи метаболизма относятся пируват, глицерофосфат, ацетил-КоА, некоторые метаболиты цикла трикарбоновых кислот (рисунок 8.1).

Рисунок 8.1. – Взаимосвязь метаболизма различных классов органических соединений

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

200

Механизмы регуляции функций организма подразделяются на нервные и гуморальные.

Главная роль в интеграции функций организма принадлежит нервной системе, которая быстро и точно регулирует работу всех органов, координирует деятельность различных систем, постоянно приспосабливает организм к непрерывно меняющимся условиям внешней среды. Выделяют два вида влияний нервной системы на органы – пусковое и модулирующее (коррегирующее). Пусковое влияние вызывает деятельность органа, находящегося в покое. Прекращение импульсации, вызвавшей деятельность органа, ведет к возвращению его в исходное состояние (расслабление мышцы после прекращения импульсации в нервных волокнах). Модулирующее влияние ведет к изменению интенсивности деятельности органа, например усилению или ослаблению сокращений сердца.

По функциональным свойствам нервную систему делят на соматическую (анимальную) и вегетативную (автономную).

Рефлекторная регуляция соматических функций. Соматическая система преимущественно осуществляет связь организма с внешней средой, обуславливая его чувствительность, движения тела, управляя скелетной мускулатурой. Основной формой нервной деятельности являются рефлекторные акты. Рефлекс – это ответная реакция организма на раздражение рецепторов из внешней или внутренней среды организма, осуществляющаяся при участии нервной системы. Структурной основой рефлекса является рефлекторная дуга.

Благодаря рефлекторной деятельности организм способен быстро реагировать на различные изменения внешней и внутренней среды организма.

Гуморальная регуляция функций. В регуляции функций важная роль принадлежит железам внутренней секреции. Генерализованные специализированные эффекты гуморальной регуляции осуществляются с помощью гормонов. Действие гормонов основано на стимуляции или угнетении каталитической активности ферментов в клетках органовмишеней. Механизм действия гормонов пептидной и стероидной природы различен.

Пептидные гормоны не проникают внутрь клетки, а присоединяются на ее поверхности к специфическим рецепторам в клеточной мембране. Рецептор связан с ферментом аденилатциклазой. Комплекс гормона с рецептором активизирует аденилатциклазу, которая расщепляет АТФ с образованием циклического аденозинмонофосфата (ц-АМФ). Действие ц- АМФ реализуется через сложную цепь реакций, ведущую к активации ферментов, которые и определяют конечный эффект гормона.

Стероидные гормоны – относительно небольшие гормоны, проникающие через клеточную мембрану. Гормон связывается с рецепторомв цитоплазме, после чего комплекс гормон-рецептор поступает в

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ