Funktsional'naia_biokhimiia

41

образуются чужеродные фрагменты, которые экспонируются на клеточной поверхности макрофагов (2). Эти фрагменты «презентируются» специальной группой мембранных белков. Комплекс из вирусного фрагмента и белка главного комплекса гистосовместимости (ГКГС (МНС)) распознается и связывается Т-клетками с помощью специфических (Т-клеточных) рецепторов. Среди огромного числа Т-клеток только немногие обладают подходящим рецептором (3), связывание приводит к активации этих Т-клеток и появлению их селективных копий (4, «клональная селекция»). В активации Т-клеток участвуют различные гормоноподобные сигнальные белки – интерлейкины (ИЛ (IL)). Эти белки секретируются теми клетками иммунной системы, которые активируются при связывании с Т-клетками. Так, активированные макрофаги с презентируемым вирусным фрагментом секретируют IL-1 (5), а Т-клетки продуцируют IL-2 (6), который стимулирует их собственное клональное копирование и репликацию Т-хелперных клеток.

Клонированные и активированные Т-клетки осуществляют различные функции в зависимости от их типа. Цитотоксические Т-клетки (на схеме зеленого цвета) способны узнавать и связывать те клетки организма, которые инфицированы вирусами и на своих рецепторах ГКГС несут фрагменты вируса (7). Цитотоксические Т-клетки секретируют перфорин – белок, который делает проницаемой мембрану связанной инфицированной клетки, что и приводит к её лизису (8).

Т-хелперы (на схеме голубого цвета), напротив, связываются с В- клетками, которые презентируют на своей поверхности фрагменты вируса, связанные с белком ГКГС (9). Это ведет к селективному клонированию индивидуальных В-клеток и их массированной пролиферации. Интерлейкин стимулирует (10) созревание В-клеток – превращение в плазматические клетки (11), способные синтезировать и секретировать антитела (12).

Иммуноглобулины (Ig), или антитела, являются семейством Y-

образных (по пространственной структуре) гликопротеинов, у которых обе вершины («буквы Y») могут связывать антиген. Иммуноглобулины находятся в виде мембранных белков на поверхности лимфоцитов и в свободном виде в плазме крови. На схеме на рисунке 2.9 показана структура наиболее важного из них – иммуноглобулина класса G (IgG). Молекула представляет собой крупный тетрамер (Н2L2 с 150 кДа) из двух идентичных тяжелых цепей (Н-цепей, на схеме красного или оранжевого цвета) и двух идентичных легких цепей (L-цепей, на схеме желтого цвета). В обеих H- цепях имеется ковалентно связанный олигосахарид (на схеме фиолетового цвета).

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

42

Рисунок 2.9. – Структура иммуноглобулина G

Иммуноглобулины расщепляются протеиназой папаином на два Fab- фрагмента и один Fc-фрагмент. Оба Fab-фрагмента (от англ. antigen binding fragment – антиген-связывающий фрагмент) состоят соответственно из одной L-цепи и N-концевой части H-цепи. Изолированные Fab-фрагменты сохраняют способность связывать антиген. Fс-фрагмент (от англ. fragment crystallizable – способный кристаллизоваться) состоит из С-концевой половины обеих H-цепей. Эта часть IgG выполняет функции связывания с клеточной поверхностью, взаимодействия с системой комплемента и участвует в переносе антител клетками.

Несмотря на большое разнообразие в иммуноглобулинах соблюдается общий принцип строения. Обе тяжелые пептидные цепи (Н-цепи) IgG состоят из четырех глобулярных доменов VH, СH1, СH2 и СH3, обе легкие (L- цепи) – из двух глобулярных доменов CL и VL. При этом буквы С и V соответственно обозначают константные (англ. constant) и вариабельные (англ. variable) области. Обе тяжелые цепи, а также тяжелая цепь с легкой связаны дисульфидными мостиками. Дисульфидные мостики внутри доменов стабилизируют третичную структуру. Домены имеют длину около 110 аминокислот и обладают взаимной гомологией. Такая структура антител, очевидно, возникла благодаря дупликации гена.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

43

В центральной области молекул иммуноглобулинов расположен шарнирный участок, который придает антителам внутримолекулярную подвижность.

Иммуноглобулины человека по структуре тяжелых цепей делятся на пять классов. Различия между IgA (с двумя подклассами), IgD, IgE, IgG (с четырьмя подклассами) и IgM определяются H-цепями, которые обозначаются греческими буквами – α, β, ε, γ и μ. L-цепи имеют только две разновидности (κ и λ). IgM могут существовать в различных формах. Секретируемые IgM состоят из пяти взаимосвязанных димеров. IgA могут быть образованы из одного, двух или трех димеров. Олигомерные IgM и IgA удерживаются вместе благодаря связывающему J-пептиду (от англ. joining). Основные классы представлены на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10. – Классы иммуноглобулинов

Иммуноглобулины всех пяти классов являются секретируемыми белками. Они поставляются в кровь зрелыми В-клетками (плазматическими клетками), Ранние варианты IgM и IgD найдены также в виде интегральных мембранных белков на поверхности В-клеток.

Антитела имеют различные функции. При контакте с чужеродным антигеном первыми образуются lgM-антитела. Ранние формы IgM связаны с поверхностью В-клеток, более поздние формы секретируются в виде пентамеров плазматическими клетками. Антитела IgM особенно активны против микроорганизмов. В количественном отношении превалируют антитела IgG. Они находятся в крови и в интерстициальной жидкости; с помощью рецепторов они могут также проходить в плаценту и вследствие этого переноситься от матери к плоду. IgA обнаруживаются

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

44

преимущественно в кишечном тракте и секретах. IgE присутствуют в плазме здорового человека лишь в незначительных, концентрациях. Повышение уровня IgE наблюдается при аллергических реакциях и паразитарных инфекциях. Количества в плазме IgD, функция которого еще не выяснена, также весьма малы.

Белки главного комплекса гистосовместимости (ГКГС). Общие функции белков этого семейства состоят в способности специфически узнавать и отличать макромолекулы друг от друга при клеточном взаимодействии. В определенных случаях связывание чужеродных молекул приводит к передаче сигнала в клетку. Общий признак этих белков – наличие в их структуре одного или нескольких так называемых иммуноглобулиновых доменов, для которых характерными являются пептидные последовательности длиной в 70-110 аминокислотных остатков, присутствующих также в иммуноглобулинах (Ig). Ig-домены имеют структуру сэндвича, который построен из антипараллельных β-складчатых листов, соединенных дисульфидным мостиком.

Представителями этого суперсемейства белков являются иммуноглобулины, белки ГКГС (МНС) и рецепторы Т-клеток (рис. 2.11), Fc- рецепторы, мембранные белки CD3, CD4, CD8, молекулы клеточной адгезии и рецепторы для различных факторов роста. Многие из этих белков состоят из константных (на схеме коричневого или зеленого цвета) и вариабельных (оранжевого цвета) участков. Гомологичные домены показаны одним цветом. За исключением секретируемых форм почти все белки суперсемейства имеют трансмембранные сегменты на С-конце молекулы, которые могут быть встроены в мембрану. Дисульфидные связи расположены в характерных местах пептидной цепи и могут быть внутри- и межмолекулярными.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

45

Рисунок 2.11. – Белки суперсемейства гена иммуноглобулина

Т-Клеточные рецепторы расположены на поверхности Т-клеток. Они имеют антителоподобную структуру с одной α- и одной β-цепями, которые содержат константный и вариабельный домены. В отличие от антител Т- клеточные рецепторы имеют только один связывающий участок, который может узнавать и связывать фрагменты чужеродных белков. Такие фрагменты презентируются белками ГКГС, локализованными на поверхности клеток.

CD8 – мембранный белок, который образуется цитотоксическими Т- клетками. Он принадлежит к белкам ГКГС класса I и действует как корецептор.

Белки ГКГС (главного комплекса гистосовместимости), названы так, поскольку кодируются последовательностью ДНК, известной как главный комплекс гистосовместимости. Белки ГКГС человека относятся к антигенам лейкоцитов – HLA (от англ. human-leucocyte-associated antigens).

Полиморфизм этих белков настолько велик, что представляется маловероятным, чтобы два индивидуума несли одинаковый набор белков ГКГС, если они не являются однояйцевыми близнецами. Белки ГКГС связывают на своей вариабельной части небольшие пептиды, которые презентируются Т-клетками.

Белки ГКГС подразделяются на два больших класса. Белки ГКГС класса I найдены на поверхности почти всех ядерных клеток организма. Именно эти белки вызывают отторжение тканей при трансплантации от

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

46

другого индивидуума. Они состоят только из α-цепи, связанной с β2микроглобулином небольшим инвариантным белком. Молекулы белков ГКГС класса II построены из двух гомологичных пептидных цепей (α и β). Они находятся на поверхности клеток иммунной системы и отличают последние от остальных клеток организма.

Система комплемента является частью иммунной системы, она осуществляет неспецифическую защиту от бактерий и других проникающих в организм возбудителей болезней. Система комплемента состоит примерно из 20 различных белков – «факторов (компонентов) комплемента», которые находятся в плазме крови и составляют около 4% от всех белков плазмы.

Система комплемента может действовать тремя различными способами:

•через хемотаксис: различные компоненты (факторы) комплемента могут привлекать иммунные клетки, которые атакуют бактерии и пожирают их (фагоцитируют);

•через лизис: компоненты комплемента присоединяются к бактериальным мембранам, в результате чего образуется отверстие в мембране и бактерия лизируется;

•через опсонизацию: компоненты комплемента присоединяются к бактерии, в результате чего образуется метка для узнавания фагоцитирующими клетками (например, макрофагами и лейкоцитами). имеющими рецепторы к компонентам комплемента.

Реакции системы комплемента осуществляются, как правило, молекулами на поверхности микроорганизма. Факторы (компоненты) с С1 по С9 (С от англ. complement) формируют так называемый «классический путь»

(1)активации комплемента, факторы В и D участвуют в активации «альтернативного пути» (2) (см. рис. 2.12). Другие компоненты системы комплемента, здесь не показанные, выполняют регуляторные функции.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

47

Рисунок 2.12. – Система комплемента и её активация

Ранние компоненты системы комплемента являются сериновыми протеиназами. Они создают амплифицирующий ферментативный каскад реакций. Классический путь инициируется связыванием компонента C1 (3) с несколькими молекулами IgG или с пентамерным IgM на поверхности микроорганизма. Альтернативный путь инициируется связыванием фактора В, например, с бактериальным липополисахаридом (эндотоксином). Оба пути ведут к расщеплению компонента С3 комплемента на два фрагмента,

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

48

обладающих различными функциями. Меньший фрагмент С3а принимает участие в развитии воспалительного процесса, индуцируя хемотаксис лейкоцитов к очагу воспаления (хемотаксис, воспалительные процессы). Более крупный фрагмент С3b связывается ковалентно на поверхности бактериальной клетки и инициирует цепь реакций, приводящих к образованию мембраноатакующего комплекса поздними компонентами системы комплемента.

Компонент C1 комплемента представляет собой сложный молекулярный комплекс, состоящий из трех различных компонентов C1q, C1r и C1s (3). Гексамерный C1q по форме напоминает букет нераскрытых тюльпанов, «бутоны» которого могут связываться с Fс-фрагментом антител. При связывании нескольких C1q с антителами активируется сериновая протеиназа C1r, с которой начинается протеолитический каскад классического пути.

Компонент СЗ комплемента стоит в центре активации системы. СЗ подвергается протеолизу СЗ-конвертазой с расщеплением на СЗа и СЗb фрагменты и участвует в формировании С5-конвертазы. СЗ-конвертаза представляет собой комплекс из C4b и С2а (в случае классического пути) или из СЗb и Bb (в случае альтернативного пути). При гидролизе СЗ в СЗb становится доступной очень реакционноспособная тиолсложноэфирная группа, которая реагирует с гидроксильной или аминогруппой (4). Вследствие этого СЗb ковалентно связывается с молекулами бактериальной мембраны (опсонизация).

Мембраноатакующий комплекс – это ионный канал (пора), в

плазматической мембране бактериальной клетки, в формировании которого участвуют компоненты СЗb, С5b, С6, С7, С8 и главным образом С9 (5). При этом молекулы С9 последовательно присоединяются к агрегату, формируя кольцевую структуру, через центр которой могут диффундировать небольшие молекулы, такие, как вода и ионы. Осмотические силы способствуют «накачиванию» воды внутрь бактериальной клетки, которая набухает и лопается (лизирует).

Активность системы комплемента контролируется ингибиторами в плазме крови, блокирующими избыточную реакцию.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

49

ТЕМА № 3 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ ПЕЧЕНИ

План:

1.Строение и химический состав печени. Биохимические функции печени. Регуляторно-гомеостатическая функция печени.

2.Углеводный обмен в печени. Регуляция синтеза и распада гликогена.

3.Особенности липидного обмена в печени.

4.Характеристика обмена аминокислот и белков в печени. Участие в обмене азотистых оснований нуклеиновых кислот.

5.Роль печени в поддержании водно-солевого равновесия. Участие в обмене витаминов.

6.Обезвреживание чужеродных веществ в печени.

7.Механизм обезвреживания аммиака и мочевинообразование.

8.Биохимия желчеобразования и экскреция. Пигментный обмен в печени и его значение.

1. Строение и химический состав печени. Биохимические функции печени. Регуляторно-гомеостатическая функция печени.

Печень – самый крупный орган в организме человека и животных; у взрослого человека она весит 1,5 кг. Хотя печень составляет 2-3% массы тела, на нее приходится от 20 до 30% потребляемого организмом кислорода, Печень состоит примерно из 300 млрд клеток, 80% из которых составляют гепатоциты. Клетки печени занимают центральное место в реакциях промежуточного метаболизма. Поэтому в биохимическом отношении гепатоциты являются как бы прототипом всех остальных клеток.

В табл. 3.1 представлены некоторые данные о химическом составе печени в норме.

Таблица 3.1. – Химический состав печени

Из данных таблицы 3.1. видно, что более 70% от массы печени составляет вода. Однако следует помнить, что масса печени и ее состав подвержены значительным колебаниям как в норме, так и особенно при патологических состояниях. Например, при отеках количество воды может составлять до 80% от массы печени, а при избыточном отложении жира в печени – снизиться до 55%. Более половины сухого остатка печени

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

50

приходится на долю белков, причем примерно 90% из них – на глобулины. Печень богата различными ферментами. Около 5% от массы печени составляют липиды: нейтральные жиры (триглицериды), фосфолипиды, холестерин и др. При выраженном ожирении содержание липидов может достигать 20% от массы органа, а при жировом перерождении печени количество липидов может составлять 50% от сырой массы.

Важнейшими функциями печени являются метаболическая, депонирующая, барьерная, экскреторная и гомеостатическая.

Метаболическая. Продукты расщепления питательных веществ поступают в печень из пищеварительного тракта через воротную вену. В печени протекают сложные процессы обмена белков и аминокислот, липидов, углеводов, биологически активных веществ (гормонов, биогенных аминов и витаминов), микроэлементов, регуляция водного обмена. В печени синтезируются многие вещества (например, желчи), необходимые для функционирования других органов.

Депонирующая. В печени происходит накопление углеводов (например, гликогена), белков, жиров, гормонов, витаминов, минеральных веществ. Из печени в организм постоянно поступают макроэргические соединения и структурные блоки, необходимые для синтеза сложных макромолекул.

Барьерная. В печени осуществляется обезвреживание (биохимическая трансформация) чужеродных и токсичных соединений, поступивших с пищей или образовавшихся в кишечнике, а также токсических веществ экзогенного происхождения.

Экскреторная. Из печени различные вещества эндо- и экзогенного происхождения либо поступают в желчные протоки и выводятся с желчью (более 40 соединений), либо попадают в кровь, откуда выводятся почками.

Гомеостатическая. Печень выполняет важные функции по поддержанию постоянного состава крови (гомеостаза), обеспечивая синтез, накопление и выделение в кровь различных метаболитов, а также поглощение, трансформацию и экскрецию многих компонентов плазмы крови.

Печень принимает участие в метаболизме почти всех классов веществ. Печень служит местом депонирования энергетических резервов

организма (содержание гликогена может достигать 20% массы печени) и веществ-предшественников; здесь также депонируются многие минеральные вещества, следовые элементы, ряд витаминов, в том числе железо (около 15% всего железа, содержащегося в организме), ретинол, витамины A, D, K, B12 и фолиевая кислота.

2. Углеводный обмен в печени. Регуляция синтеза и распада гликогена.

Глюкоза, наряду с жирными кислотами и кетоновыми тепами, является важнейшим источников энергии. Уровень глюкозы в крови поддерживается

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ