Биоорганическая химия. Учебное пособие

Тема 30. Характеристика белков

титрипсин. В частности, ковалентное связывание трипсина дости гает 80%, тромбина — 70%, плазмина — 50%. Интернализация про теиназ в клетки завершается преимущественно в лизосомах, где происходит их расщепление. Помимо протеиназ, МГ связывает некоторые пептиды, липазы, регуляторные полипетиды, такие как гормоны и цитокины (интерлейкины, фактор некроза опухоли, фак торы роста). Данные свойства сообщают МГ характеристики универ сального регулятора функций иммунной системы. МГ — один из основных факторов, способствующих связыванию чужеродных ан тигенов с клетками иммунной системы. Антиген в комп лексе с МГ поступает в лизосомы, где лизируется до пептидов в фагоцитах. Продукты лизиса экспрессируются на поверхности лизосом, где связываются внутриклеточным МГ. Этот комплекс экспрессируется на цитоплазматических мембранах фагоцитов и присоединяется к β2 микроглобулину — легкой цепи антигенов главного комплекса гисто совместимости на клетках акцепторах, которые осуществляют распознавание антигена и запускают каскад реакций иммунного от вета. При дефиците МГ наблюдается ареактивность, при избытке — супрессия за счет блокирования главного комплекса гистосовмести мости.

Способность к связыванию гидролаз, лизоцима, пропердина позволяет МГ управлять интенсивностью реакций неспецифиче ского гуморального иммунитета.

Возможность МГ связывать и транспортировать к клеткам мишеням пептидные гормоны, инсулин, гормон роста, пролактин, глюкагон и нейропептиды сообщает ему характеристики нейро модулятора, регулятора действия гормонов и акцептора токсиче ских полипептидов.

Существенную роль играет МГ и в регуляции апоптоза: nМГ блокирует апоптоз за счет блокирования активности каспаз и NO синтетазы; fМГ, напротив, выступает как инициатор апоптоза.

МГ синтезируется практически всеми клетками — гепатоци тами, гемопоэтическими клетками, фибробластами, миоцитами, эпителиальными и нервными клетками. Индукторами синтеза МГ служат факторы роста, регулируемые самим данным белком.

331

Тема 30. Характеристика белков

Практически все известные инфекционные патогены прони кают в клетки путем лизиса цитоплазматических мембран по верхностными гидролазами. МГ способен блокировать актив ность гидролаз большей части возбудителей инфекций. Кроме того, он обладает аффинитетом ко многим капсидным белкам ви русов и цитоплазматических мембран бактерий, грибов, плазмо диев, не обладающих активностью ферментов. При достаточном количестве nМГ инфекционные патогены связываются, интерна лизуются в лизосомы, где и расщепляются. Продукты расщепления презентируются в реакции кооперации — иммунокомпетентных клеток, что запускает иммунный ответ на инфекцию. При дефи ците МГ патогены проникают в клетки и инфицируют их. Реак ция fМГ c клетками, пораженными эндотоксинами, приводит

ких апоптозу, лизису патогенов, их презентации и запусканию иммунного ответа.

При воспалительной реакции клетки микроокружения очага некроза синтезируют активатор плазминогена и его ингибитор, концентрация которых регулируется nМГ. Это приводит к пре вращению плазминогена в плазмин, который расщепляет интакт ные предшественники кининов и запускает калликреин кинино вые реакции. Одновременно активируются металлопротеиназы, способные лизировать соединительно тканные структуры. Все эти реакции регулируются ингибиторами протеиназ, особенно МГ, который выступает в качестве универсального регулятора. Из быток fМГ, созданный комплексообразованием с протеиназами, способствует апоптозу поврежденных клеток, направлен на локали зацию очага некроза. При прогрессировании воспаления избыток факторов роста блокирует экспрессию гена IL 6, что приводит к акти вации генов противовоспалительных цитокинов, а также ингибиро ванию синтеза МГ. Сохранение избытка факторов роста приводит

кпереходу острого воспаления в хроническое. Ограничение био синтеза МГ при воспалении можно рассматривать как фактор, способствующий санации пораженных тканей посредством про теолиза.

332

Тема 30. Характеристика белков

4. Трансферрин, СJ3 компонент комплемента, церулоплазмин.

Трансферрин (Тф) обладает следующими функциональными свой ст вами: акцептирует ионы железа, оказывет бактерицидное дей ст вие, частично — антиоксидантное действие, регулирует про цессы ПОЛ. Восстановительная функция системы крови в значительной мере определяется наличием Тф переносчика Fe3+. Тф — является одним из важнейших факторов, определяющих уровень содержания гемоглобина в крови и гемосодержащих бел ков в митохондриях селезенки и печени.

СJ3 компонент комплемента является проферментом, состав ляющим С 5 конвертазы, фрагмент С 3b является опсонином. С 4 компонент комплемента — составляющая С 3 и С 5 конвертаз.

Опосредованная активацией комплемента, острая воспали тельная реакция начинается с активации комплемента по альтер нативному пути. Первоначально С 3bBb закрепляется на поверх ности микроорганизма и расщепляет большие количества С 3. Фрагмент С 3а выделяется, а многочисленные молекулы С 3b связываются с микроорганизмом, что активирует последующий этап с образованием С 5а и мембраноатакующего комплекса. С 3а

иС 5а способствуют высвобождению медиаторов из тучных кле ток и вместе с ними вовлекают полиморфноядерные нейтрофилы

идругие компоненты системы комплемента в воспалительный очаг. Все это вызывает расслабление стенок артерий и усиление кровотока, расширение мелких сосудов; сокращение клеток эн дотелия капилляров способствует выходу белков плазмы из сосу дов. Нейтрофилы замедляют движение у стенок капилляров, про никают в межэндотелиальное пространство и перемещаются по градиенту концентрации хемотаксических факторов к микроор ганизму, покрытому С 3b. В дальнейшем происходит связывание микроорганизма с С 3b рецепторами нейтрофила. С 3а и С 5а резко активируют клеточное дыхание. Расширение капилляров (гиперемия), экссудация белков плазмы и других жидкостей из за изменений гидростатического и осмотического давления (отек)

инакопление нейтрофилов представляют собой острую воспали тельную реакцию.

333

Тема 30. Характеристика белков

Церулоплазмин представляет собой α2 гликопротеин, состоя щий из одной полипептидной цепи, содержащей 1046 аминокис лотных остатков, с молекулярной массой 132 кДж. Белковая часть молекулы церулоплазмина гомологична молекуле V свертывания крови, ген церулоплазмина имеет общие кодоны с генами факто ров V и VII свертывания.

Основные биологические функции: транспорт меди к медь содержащим ферментам, транспорт и утилизация железа, регуля ция оксидативного равновесия, белок острой фазы воспаления.

Большая часть церулоплазмина синтезируется в гепатоцитах

иэпителиоцитах легких. При острофазном ответе источником це рулоплазмина становятся моноциты, регулятор содержания био генных аминов является маркером неопластической активности.

До 95% меди организма связаны с церулоплазмином, остальная медь связана с альбумином, гистидином, небольшими пептидами. Медь в свою очередь является важнейшим микроэлементом, участ вующим в каталитических реакциях. Медь транспортируется от кишечника к печени, где соединяется с апоцерулоплазмином,

ив составе молекулы церулоплазмина поступает в кровоток. Це рулоплазмин участвует в обмене железа, окисляя Fe2+ до Fe3+

иобеспечивает транспорт железа трансферрином. Церулоплазмин участвует в развитии оксидативного стресса, который играет опре деленную роль в развитии сердечно сосудистых заболеваний. Ок сидативный стресс возникает в условиях повышенной продукции внутри и вне клетки активных форм кислорода. Церулоплазмин оказывает прооксидантное и антиоксидантное действие.

Таблица 21

Прооксидантные и антиоксидантные свойства церулоплазмина

334

Тема 30. Характеристика белков

Окислительная активность этого белка связана с наличием меди. Антиоксидантная активность церулоплазмина проявляется его способностью инактивировать свободные радикалы кислоро да, предотвращая окисление полиненасыщенных жирных кислот; он играет также роль фермента супероксиддисмутазы, защищая клеточные мембраны от повреждения. Противовоспалительная ак тивность церулоплазмина обусловлена также его свойством инак тивировать гистаминазу сыворотки крови. Церулоплазмин спосо бен усиливать окисление аскорбиновой кислоты, катехоламинов, серотонина, соединений, содержащих сульфогидрильные груп пы (гомоцистеин, цистеин). Церулоплазмин участвует в окислении липопротеинов низкой плотности (ЛПНП), процессе, приводящем к атеросклерозу. При снижении антиоксидантного потенциала ор ганизма образуются разнообразные соединения, участвующие

ватерогенезе. К «окисленным липидам и липопротеидам» относят ся фрагменты апо В 100 — одного из основных апобелков, входя щих в состав ЛПНП, реактивные альдегиды, находящиеся в соеди нении с белком апо В, окисленные свободные жирные кислоты, продукты перекисного окисления липидов (ПОЛ), окисленный хо лестерин, лизолипиды. Окисленные продукты ЛПНП обладают атерогенными свойствами, способствуя накоп лению холестерина

вмакрофагах и являясь хемоаттрактантами для моноцитов, а также обладают цитотоксическими свойствами и неблагоприятно влияют на свертываемость крови. В окислении липидов участвуют церуло плазмин, ионы меди и железа. В модификации липидов принимают участие ферменты липоксигеназа и миелопероксидаза, присут ствие которых выявлено в атеросклеротической бляшке. Липо ксигеназа участвует в перекисном окис лении полиненасыщен ных жирных кислот с образованием биологически активных соединений. Доказано усиление окисления ЛПНП под действием гомоцистеина, способствующего окислению ЛПНП церулоплаз мином, окислительный потенциал которого зависит от присутст вия ионов меди. Гипергомоцистенемия представляет собой неза висимый фактор риска сердечно сосудистых и неврологических заболеваний, она способствует прогрессированию атеросклероза.

335

Тема 30. Характеристика белков

Гомоцистеин подвергается аутоокис лению в присутствии ката лизатора — ионов металла и молекулярного кислорода, что при водит к формированию активных форм кислорода — перекиси во дорода и супероксидных анионов. Церуло плазмин катализирует это аутоокисление. Образование молекул кислорода и перекиси водорода, т. е. развитие оксидативного стресса, рассматривается как один из важнейших механизмов повреждения сосудов, играющих важную роль в патогенезе различных сердечно сосу дистых заболеваний.

Церулоплазмин является прокоагулянтом, способствуя тром бообразованию. Воздействуя на моноциты, церулоплазмин уве личивает экспрессию гена тканевого фактора, что приводит к по вышению его активности в 70 раз. При взаимодействии тканевого фактора с VII фактором свертывания запускается образование тромбина.

Уровень церулоплазмина в плазме крови здорового человека 0,2–0,6 г/л, у женщин выше, чем у мужчин, с возрастом отмечает ся увеличение концентрации этого белка. При беременности уро вень церулоплазмина повышается.

5. Клиническое значение церулоплазмина и трансферрина. Уро вень церулоплазмина повышен при острой фазе воспаления, в том числе после травм и оперативных вмешательств; остром инфаркте миокарда; метаболическом синдроме с нарушением толерантности к глюкозе; при сахарном диабете; артериальной гипертензии; анев ризме аорты, атеросклерозе коронарных и периферических арте рий; холестазе; первичном билиарном циррозе; ревматоидном артрите; лейкемии; меланоме; шизофрении; хроническом алко голизме; приеме эстрогенов; курении табака; беременности. Уро вень церулоплазмина понижен при болезни Вильсона Коновало ва (гепатоцеребральная дистрофия); синдроме Менке; болезни Альцгеймера; нефротическом синдроме; энтеропатии с потерей белка; синдроме мальабсорбции; нарушении синтеза белка в пе чени.

336

Тема 30. Характеристика белков

Определение содержания церулоплазмина в плазме крови необходимо у больных с подозрением на нарушение обмена меди.

Болезнь ВильсонаJКоновалова представляет собой генетиче ски обусловленное заболевание с аутосомно рецессивным типом наследования, в основе которого лежит нарушение обмена меди. Распространенность болезни — 0,33 на 100 000 человек. Ген гепа тоцеребральной дистрофии расположен на длинном плече 13 й хромосомы, кодирует медьтранспортирующую АТФазу протон ного типа.

Генетический дефект приводит к нарушению экскреции меди с желчью. Пониженное содержание церулоплазмина в сыворотке крови сопровождается избыточным накоплением меди в различных органах и тканях, прежде всего в гепатоцитах и нейронах головно го мозга, способствуя развитию дегенеративных изменений парен химы печени и подкорковых центров головного мозга. Пожизнен ная терапия, направленная на элиминацию меди, способствует исчезновению клинических симптомов. Первые клинические про явления заболевания — признаки поражения печени, реже — по ражения почек, боли в суставах, васкулиты, гематологические симптомы, эндокринные нарушения. У этих больных по перифе рии роговицы откладывается зеленовато бурый медьсодержащий пигмент.

Дефицит трансферрина и церулоплазмина — два очень редко встречающихся генетически обусловленных заболевания, сопро вождающихся увеличением накопления железа. Дефицит трансфер рина приводит к тому, что абсорбированное нетрансферринсвязан ное железо выводится в портальную систему и откладывается в печени. При дефиците церулоплазмина развивается недостаток ферроксидазы, необходимой для окисления Fe2+ до Fe3+, после чего железо связывается с трансферрином. При патологии умень шается транспорт железа из клеток в плазму крови и происходит накопление железа в тканях. Клинически преобладают цереб ральные нарушения — атаксия, хорея, деменция, сахарный диа бет, пигментация радужной оболочки, отложение железа в пече ни и головном мозге.

337

Тема 30. Характеристика белков

Синдром Менке (синдром скрученных волос) — рецессивный, сцепленный с Х хромосомой генетический дефект со значитель ным снижением уровня церулоплазмина. Волосы у этих больных короткие и толстые с узловатыми и чередующимися веретенооб разными утолщениями и перехватами, с повышенной ломкостью; дети отстают в росте и значительно — в умственном развитии, иногда бывает протеинурия, преждевременное закрытие череп ных швов. В плазме крови повышено содержание глутаминовой кислоты. Белое вещество головного мозга атрофично. Прогноз неблагоприятный, смерть наступает в течение первых лет жизни.

При болезни Альцгеймера отмечается снижение уровня церу лоплазмина в плазме крови и активности фермента супероксид дисмутазы, что усиливает оксидативные нарушения.

Определение уровня церулоплазмина, активности ацетилхо линэстеразы и общей протеолитической активности плазмы ис пользуется при контроле за состоянием больных с множественной миеломой. Специфично возрастание уровня церулоплазмина при

меланоме.

Церулоплазмин является поздним реактантом острой фазы воспаления с умеренной степенью увеличения концентрации (увеличение в плазме крови на 20–60% спустя 48 ч и более с мо мента заболевания), что предполагает компенсаторно приспосо бительный характер и не может служить индикатором эффектив ности терапии.

При ишемической болезни сердца содержание белков острой фазы воспаления — С реактивного белка и фибриногена — нахо дится в прямой зависимости, а уровень церулоплазмина — в об ратной от функционального класса стенокардии, более низкий уровень этого белка предполагает большую частоту осложнений. Обнаружение до кардиохирургической операции сниженного уровня церулоплазмина в плазме крови в сочетании с повышен ной концентрацией С реактивного белка является неблагоприят ным прогностическим признаком и связано с высоким риском осложнений.

338

Тема 31. Обезвреживание аммиака в организме

ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ АММИАКА В ОРГАНИЗМЕ,

СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ПУТИ ОБМЕНА АМИНОКИСЛОТ,

Тема 31. ПАТОЛОГИЯ АЗОТИСТОГО ОБМЕНА

1. Обезвреживание аммиака в организме. Обезвреживание аммиа ка в организме, образующегося при дезаминировании аминокис лот (главным образом глутаминовой), в меньшей степени при дезаминировании пуриновых оснований, биогенных аминов, ами дов аминокислот, распаде пиримидиновых оснований, происхо дит следующим путем:

1)восстановительное аминирование происходит в малом объе ме аммиака, но обеспечивает образование глутаминовой кислоты;

2)образование амидов аспарагиновой и глутаминовой кислот (аспарагина и глутамина) протекает преимущественно в нервной ткани, катализаторами являются аспарагинатсинтетаза и глута минсинтетаза;

3)образование аммонийных солей происходит в почечной ткани, куда аммиак доставляется в виде амидов аспарагиновой и глутами новой кислот. Амиды гидролизуются глутаминазой и аспарагина зой, образуя аспартат, глутамат и аммиак, который нейтрализует ся с образованием солей аммония (они удаляются с мочой);

4)синтез мочевины — основной путь обезвреживания и удале ния аммиака — осуществляется в печени. Начальная стадия синтеза мочевины — синтез карбамоил фосфата, который, взаимодействуя

сорнитином, образует цитрулин. Далее цитрулин взаимодействует

саспарататом, образуя аргининсукцинат. Последний расщепляется на фумарат и аргинин. Аргинин под действием аргиназы расщеп ляется гидролитически на мочевину и аргинин.

Суммарная реакция синтеза мочевины:

СО2 + NH3 + 3АТФ + 2Н20 + Аспартат мочевина + + 2АДФ + АМФ + Фумарат + 2Фн+ФФн.

Синтез мочевины происходит в печени, это циклический процесс (орнитиновый цикл), в который вовлекаются 1 молекула

339

Тема 31. Обезвреживание аммиака в организме

аммиака и 1 — аспарагиновой кислоты, а высвобождается по 1 молекуле мочевины, фумарата и орнитина.

2. Специфические пути обмена аминокислот. Существуют сле дующие пути обмена аминокислот:

1)обмен глицина и серина. Глицин — единственная из амино кислот, в молекуле которой отсутствует асимметричный атом угле рода. Глицин играет незаменимую роль в образовании белков, пу риновых нуклеотидов, гемоглобина, желчных кислот, креатина, глутатиона. Основным путем катаболизма глицина в животных тканях считается распад его при участии митохондральной гли цинрасщепляющей ферментной системы. Биологический смысл реакции заключается в образовании активного одноуглеродного фрагмента, используемого в уникальных реакциях синтеза метио нина, пуриновых нуклеотидов. Серин играет важную роль в био синтезе сложных белков — фосфопротеинов, а также фосфогли церидов. Серин легко превращается в пируват под действием сериндегидрогеназы;

2)обмен серосодержащих аминокислот (метионина, цистеина, цистина). Цистеин является составной частью трипептида глута тиона. Одной из главных функций глутатиона является сохране ние ферментов, содержащих в активном центре SH группы в ак тивной восстановленной форме. Окисленный глутатион может вновь восстанавливаться под действием глутатионредуктазы, ис

пользуя НАДФН2. Глутатион может оказывать ингибирующее действие на некоторые белки: известна реакция инактивации ин сулина под действием глутатионинсулинтрансгидрогеназы, в ко торой SH глутатион является донором водородных атомов, раз рывающих дисульфидные связи между двумя полипептидными цепями молекулы инсулина. Поскольку в процессе катаболизма сера метионина в тканях в основном переходит в серу цистеина,

авзаимопревращение цистина в цистеин легко осуществляется, проблема окисления серы всех аминокислот практически сводит ся к окислению цистеина.

Главным путем оказался окислительный, включающий в себя окисление цистеина в цистеинсульфиновую кислоту. Трансами

340