бышевский-биохимия для врача

и другом случаях ион ж елеза остается двувалентным), а такж е в виде МетНЬ

— ион ж елеза здесь окислен до трехвалентного.

2.1.4. Функции белков

Каталитическая или ферментативная. Все химические превращ ения в живом организме протекают при участии катализаторов. Биологические ката­ лизаторы (ферменты) по химической природе белки, следовательно, катализи ­ руют в организме химические превращения, из которых складывается обмен веществ.

Транспортная функция. Белки транспортируют или переносят биологичес­ ки значимые соединения в организме. В одних случаях транспортируемое соединение сорбируется белковой молекулой. Это защ ищ ает от разруш ения и обеспечивает перенос с током крови (например, транспорт альбумином некото­ рых гормонов, витаминов, лекарственных соединений). Этот вид транспорта называют пассивным. В других случаях пассивный транспорт сочетается с депонированием (запасанием) тех или иных соединений (например, трансферрин плазмы крови не только переносит железо, но и запасает (накапливает) его при избытке). С помощью мембранных белков переносятся соединения из зон с низкой концентрацией в зону с высокой. Это сопряжено с заметным потреб­ лением энергии и называется активным транспортом (например, транспорт ионов натрия из цитоплазмы и калия в цитоплазму).

Механохимическая функция — способность некоторых белков изменять конформацию, уменьшать длинник молекулы, т.е. укорачивать или сокращ ать молекулы. Такие белки называют сократительными (некоторые мышечные белки). Название вытекает из того, что сократительные белки выполняют механическую работу за счет энергии химических связей.

Структурная (пластическая) функция выполняется белками — элементами клеточных мембран (эти белки могут обнаруживать каталитическую или транспортную активность), но главным образом фибриллярными белками. Последние в составе соединительных тканей обеспечивают их прочность и эластичность: кератин шерсти и волос, коллагены сухожилий, кожи, хрящ ей, стенок сосудов и связывающих тканей.

Гормональная функция (функция управления) реализуется гормонами пептидной или белковой природы. Они, влияя на продукцию или активность белков-ферментов, изменяют скорость катализируемых ими химических реак­ ций, т.е. в конечном счете управляют обменными процессами.

Защитная функция белков реализуется антителами, интерферонами и фибриногеном.

А нт и т ела — соединения белковой природы, синтез которых индуцируется в процессе иммунного ответа — реакции организма на проникновение во внутреннюю среду посторонних белков или других антигенных компонентов (например, высокомолекулярных углеводов). Антитела, соединяясь с антиге­ ном, образуют нерастворимый комплекс, делая антиген безопасным для орга­ низма.

И нт ерф ероны — гликопротеины, синтезирующиеся клеткой после проник­ новения в нее вируса. В отличие от антител интерфероны взаимодействуют не с антигеном, а вызывают образование внутриклеточных ферментов. Они блокируют синтез вирусных белков, препятствуя копированию вирусной информации. Это приостанавливает размножение вируса.

Ф ибриноген — растворимый белок плазмы, который на последней стадии процесса свертывания крови трансформируется в фибрин — нерастворимый белок. Фибрин образует каркас тромба, ограничивающего кровопотерю.

П лазмин — белок плазмы крови, катализирующий расщепление фибрина. Это обеспечивает восстановление проходимости сосуда, закупоренного фибри­ новым сгустком.

Энергетическая функция белков обеспечивается за счет части аминокислот, высвобождающихся при расщеплении белка в тканях. В процессе окислитель­ но-восстановительного распада аминокислоты высвобождают энергию и синте­ зируют энергоноситель — АТФ. На долю белка приходится около 18% энерго­ потребления у человека.

М олекула белка — линейный полимер, или сополимер, структурная единица которого — соединенные пептидными связями аминокислоты

— характеризуется сложной пространственной организацией, вклю ча­ ющей три или четыре уровня. Набор аминокислот и их последователь­ ность леж ат в основе многообразия и уникальности белковых молекул, в основе их физико-химических свойств. Они ж е определяют и множес­ твенность функций, свойственных белкам в живом организме.

2.2.Углеводы

2.2.1.Классификация

Куглеводам относят полиоксиальдегиды, полиоксикетоны и их производные.

Молекулярная масса углеводов лежит в пределах от 0,1 до 1 ООО кДа (реже

—более). Растворимость в воде, исключая некоторые высокомолекулярные

полисахариды, хорошая, в органических растворителях — незначительная. Выделяют 4 группы углеводов:

моносахариды; производные моносахаридов; олигосахариды; полисахариды.

Моносахариды можно рассматривать как гидраты углерода с общей форму­ лой (СНОН) , где значения п колеблются от 3 до 9. Производные моносахаридов вместо карбонильных и гидроксидных групп или наряду с ними содержат другие функциональные группировки.

Олигосахариды и полисахариды — продукты конденсации остатков моноса­ харидов друг с другом при образовании ацетальных связей. Число этих соединений велико. Олигосахариды из двух, трех, четырех и пяти остатков моносахаридов называют соответственно ди-, три-, тетра- и пентасахаридами.

Полисахариды — полимеры с высокой молекулярной массой — могут содержать в молекуле остатки одного типа (гомополисахариды) либо двух и более (гетерополисахариды).

2.2.2.Моносахариды

Взависимости от числа углеродных атомов моносахариды называют три-, тетра-, пентагексозами и т.д. (соответственно 3,4,5 и 6 углеродных атомов). При

наличии свободной альдегидной или кетогруппы к названию добавляют соот­ ветствующую приставку, например альдотриоза или кетотриоза. Из триоз, наиболее часто обсуждаемых при рассмотрении обменных процессов, мы будем встречать глицериновый альдегид и диоксиацетон, из тетроз — эритрозу, из пентоз — рибозу, арабинозу, ксилозу, из гексоз — глюкозу, маннозу, галактозу, фруктозу. Все они либо имеют пищевое значение, либо образуются в процессах обмена и используются как компоненты более сложных структур.

2.2.3. Производные моносахаридов

Сахарные кислоты — продукты окисления C -f-альдо- или С-6- оксиметильной группы альдоз (либо обеих групп). Из них важнейш ие в организме животных — глюконовая, глюкуроновая и предшественник витамина С — глюкаровая (сахарная) кислоты.

Дезоксисахара — моносахара, у которых одна или более гидроксидных групп в пиранозном или фуранозном кольце заменены атомом водорода. Например, 2-дезоксирибоза (компонент нуклеотидных звеньев в ДНК), 6-дезоксиманноза, 6-дезоксигалактоза (содержатся в растительных и животных тканях).

Аминосахара — моносахара, у которых в пиранозном кольце один из гидроксидов замещен аминогругатой, глюкозамин (компонент хитина), галактозамин (типичный компонент полисахаридов соединительных тканей).

Сиаловые кислоты представлены кетозами с девятью атомами углерода — ацильные или гликолилпроизводные нейраминовой кислоты (ацетилнейраминовая кислота, гликолилнейраминовая кислота).

2.2.4. Олигосахариды

Представлены соединениями, содержащими небольшое количество (2,3) моно­ меров. Важнейшие из них в биологическом плане — мальтоза, лактоза и сахароза.

Мальтоза состоит из двух остатков глюкозы, соединенных а-гликозидной связью, атакуемой (3-глюкозидазой.

Лактоза включает в себя остатки галактозы и глюкозы, соединенные (3- гликозидной связью, атакуемой р-глюкозидазой.

Сахароза образована остатками глюкозы и фруктозы, это наиболее распрос­ траненный в пищевых продуктах дисахарид (пищевой сахар, свекла, кондитер­ ские изделия). Являясь а-гликозидом, такж е атакуется а-глю козидазой пищ е­ варительного сока. В отличие от мальтозы и лактозы сахароза не имеет незамещенного аномерного атома углерода, т.е. относится к числу невосстанав­ ливающих сахаров.

2.2.5. Полисахариды

Этой группой представлено подавляющее большинство сахаров в природе. Наиболее частый компонент полисахаридов — глюкоза, реж е — манноза, галактоза, ксилоза, арабиноза, глюкуроновая, галактуроновая и маннуроновая кислоты, глюкозамин, галактозамин, сиаловые кислоты. Всегда моносахариды в цепи связаны гликозидными а - или p-связями, образуя линейную или разветвленную структуру. Важнейшие из них описаны ниже.

2.2.5.1. Гомополисахариды

Крахмал служит питательным резервом в растениях и важнейш им источни­ ком углеводов в питании человека. Представляют собой смесь двух соединений: амилозы с длинной неразветвленной цепью и амилопектина с разветвленной цепью (ветвления через 24-30 остатков глюкозы в основной цепи). Оба соеди­ нения построены из повторяющихся остатков мальтозы.

Гликоген — аналог крахмала в животных тканях — полисахарид с разветвлен­ ной цепью, напоминающий амилопектин, с той разницей, что ветвления повто­ ряются через 8-12 остатков глюкозы. Выражена гетерогенность — молекулярная масса колеблется от 270 до 1 ООО кДа даже в одном препарате.

Целлюлоза — распространенный полисахарид, на долю которого у растений приходится более 50% всего углерода. Содержит в качестве единственного мономера остатки глюкозы, соединяющиеся в цепи (3- гликозидной связью. Это исключает расщепление целлюлозы пищ еварительными соками человека.

2.2.5.2. Гетерополисахариды

Из множества соединений этой группы приведем важнейшие, присутствую ­ щие в тканях человека.

Гликозаминогликаны (мукополисахариды) построены из повторяющихся дисахаридных единиц, которые чащ е всего образованы из глюкуроновой кислоты и ацетилглюкозамина (гиалуроновая кислота) либо из глюкуроновой (или идуроновой) и сульфированного ацетилгалактозамина (ацетилглюкозами­ на). Состав важнейших гликозаминогликанов приведен в табл.1.

2.2.6. Функции углеводов

Углеводы — источники энергии в животном организме. Они обеспечивают до 67% суточного энергопотребления (не менее 50%).

Углеводы, запасаемые в виде гликогена, выполняют роль легко мобилизуе­ мого энергетического материала, который быстро используется организмом при повышенных энерготратах или недостаточном питании.

Продукты промежуточного обмена углеводов используются для синтеза липидов, аминокислот, гомо- и гетерополисахаридов — обязательных струк­ турных компонентов соединительных тканей. Поэтому углеводы можно рас­ сматривать как пластический материал.

Углеводный компонент гликопротеинов определяет продолжительность их существования, групповую, видовую и тканевую специфичность.

2.3. Липиды

Компоненты фракции животной и растительной тканей, извлекающ иеся органическими растворителями, называют липидами. Это название не может служить структурной характеристикой, хотя большинство липидов имеет общие структурные особенности, которые определяют их биологические свой­ ства. Сходна и растворимость липидов. Большая часть их — ионные или полярные производные углеводородов. Наличие в молекуле полярных или ионных гидро­ фильных группировок, наряду с неполярными гидрофобными углеводородными группировками, позволяет относить липиды к амфифилам (бифилам). От приро­ ды этих группировок зависят в значительной степени свойства липидов: одни из них слабо полярны, что определяет низкое сродство к воде (нейтральные жиры), другие — более полярны (фосфоглицериды, сфинголипиды). Различны и функции липидов, отличающихся по структуре и свойствам.

2.3.1. Классификация липидов .

Различия в компонентах, составляющих молекулу липида, позволяют разде­ лить их на следующие группы.

I. Ж ирные кислоты.

II.Глицеринсодержащие липиды.

1.Нейтральные жиры:

а) моно-, ди- и триглицериды; б) простые эфиры глицерина; в) гликозилглицериды.

2. фосфоглицериды: а) фосфатиды;

б) дифосфатидилглицериды и фосфоинозитиды.

III.Липиды, не содержащие глицерин.

1.Сфинголипиды: а) церамиды;

б) сфиногмиэлины; в) гликосфинголипиды.

2.Алифатические спирты и воска.

3.Терпены.

4.Стероиды.

IY. Липиды, связанные с веществами других классов. 1. Липопротеины.

2.Протеолипиды.

3.Фосфатидопептиды.

4.Липоаминокислоты.

5.Липополисахариды.

Мы рассмотрим те группы липидов, сведения о которых необходимы для изучения их обмена, остальные освещены в других разделах, в связи с вопросами патохимии или клинической биохимии.

2.3.2.Жирные кислоты (ЖК)

ЖК в тканях и жидкостях организма — чаще компоненты других классов липидов (эфирноили амидосвязанные жирные кислоты в отличии от свобод­ ных ЖК). Для биологически значимых Ж К характерны: 1) наличие, как правило, одной карбоксильной группы и неполярной неразветвленной углерод­ ной цепи (ациклические ЖК); 2) наличие четного числа углеродных атомов; 3) существование в форме насыщенных или ненасыщенных соединений (2-4 двойных связей).

Насыщенные жирные кислоты, распространенные в биологических объек­ тах, содержат от 2 до 28 углеродных атомов (нумерация от карбоксильного углерода, в скобках название по женевской номенклатуре):

С2Н40 2 — уксусная (этановая); C4Hg0 2 — масляная (н-бутановая); С8Н]60 2 — каприловая (н-октановая)

и далее с той ж е закономерностью (СпН2пОа, п — четное число): каприновая (н-декановая), лауриновая (н-нондекановая), миристиновая (н-тетрадекано- вая), пальмитиновая (н-гексадекановая), стеариновая (н-октадекановая), арахиновая (н-эконозановая), бегеновая (н-докозановая), лигноцериновая (н-тетрако- зановая), церотиновая (н-гексокозановая) и монтановая (н-октакозановая).

Все Ж К — слабые кислоты, диссоциирующие в водных растворах (рК примерно одинаково для всех и близко к 4,84, т.е. к рК уксусной кислоты — 4,76).

Ненасыщенные жирные кислоты. Одиночная двойная связь обычно нахо­ дится в положении 9,10. Наиболее распространенная из таких кислот — олеиновая (С18, цис-форма).

Две двойные связи расположены в Ж К животного происхождения обычно в виде сопряженных связей:

-сн=сн-сн=с-сн2

Наиболее распространенная из таких Ж К — линолевая (С18). С тремя двойными связями — линоленовая, с четырьмя — арахидоновая.

Существенно, что ненасыщенные жирные кислоты относят к незаменимым, так как в организме они не синтезируются.

Простагландины — Ж К (С20), содержащие циклопентановое кольцо, имеют­ ся во всех тканях организма, отличаются многообразной и высокой биологи­ ческой активностью. Общая структурная формула этих соединений такова (нумерация атомов углерода начинается с карбоксильного):

Принятое обозначение простагландинов — Р§. Различаю т две основные серии

— Р^Е и Р^Ғ (См. ст р. 30).

Р§Е содержат кетогруппу у С и ОН-группу у С . Р§Ғ имеют ОН-группы у С и Сп .(См. стр. 30)

Нижние индексы (1,2 и 3) в сериях Е и Ғ указывают на число двойных связей в боковых цепях (например, Р|/Е,) и на наличие гидроксидной группы при С-15. Индексы ос и Р после цифровых в серии PJ^F отмечают ориентацию гидроксидной группы при С-9, соответственно ниже или выше кольца (например, P^Fj).

Перечисленные шесть простагландинов серий Р§Е и P§F — первичные. Так

называемые вторичные простагландины — продукты ферментативного пре­ вращения серии Р,§Е. Из их числа важные регуляторные агенты — эндоперок­ сиды и тромбоксаны.

2.3.3. Липиды, содержащие глицерин

Нейтральные жиры — эфиры жирных кислот и глицерина в форме моно~, ди- и триацилглицеридов. Общая формула триацилглицеридов:

0

1

R - С - О - СН2

0

1

Rj - С - О - СН

О

У

R 2 - C - O - C H 2

Это слабые амфифилы, нерастворимые в воде, хорошо растворимы в полярных растворителях. Из всего многообразия Ж К в ацилтриглицеридах тканей человека присутствуют миристиновая, пальмитиновая, стеариновая, пальмитоолеиновая, олеиновая, линолевая. На долю олеиновой и пальмитино­ вой приходится 50 и 23 мол.%, на третьем месте — линоленовая (10 мол.%), содержание остальных составляет от 3 до 6 мол.%.

Простые эфиры глицерина и гликозилглицериды выделены из тканей патологических образований, тканей крупного рогатого скота, растительных тканей. Их значение в организме человека неизвестно.

Фосфоглицериды — производные глицеро-3-фосфата, их разделяю т на группы в соответствии с типами связи между углеводородной частью молекулы и глицерином, а такж е в зависимости от природы полярных групп в молекуле.

1. Фосфатиды — производные фосфатидной кислоты, соединенные эфирной связью (через гидроксил фосфата) с каким-либо азотистым основанием, содер­ жащим полярные группы и обозначенным в формуле как R2:

Н,С - О - СО - CR

I

НС - О - СО - CRj

0

1

Н.С - О - Р - С - CR,

I

ОН

Среди фосфатидов тканей человека известны фосфатидилхолины, ф осф а- тидилэтаноламины, фосфатидилсерины (соответствующие азотистые основа­ ния — холин, этаноламин, серин). В большинстве случаев в положении С-1 содержатся насыщенные, а в положении С-2 — ненасыщенные ЖК.

При ферментативном гидролизе специфическими фосфолипазами, отщеп­ ляющими остаток Ж К только в одном из положений (С-1 или С-2), образуется лизофосфатид — лизофосфатидилхолин и т.д.