Marri_i_dr_-_Biokhimia_cheloveka_tom_1

Рис. 15.24. Холестсрол.

ционирующих В организме. Холестерол находится

в животных, но не в растительных ЖИРdХ. Его хими­ ческое название 3-гидрокси-5,6-холестен (рис. 15.24).

Эрrостерол

I

-СН=С-СН=СН-

Рис! 15.26. Изопреноидная единица.

цепи митохондрий, и длинноцепочечный спирт доnи­ хоп (рис. 15.27), принимающий участие в синтезе

гликопротеинов, а именно в присоединении углевод­

ных остатков к остаткам аспарагина в цепи полипеп­

тида (см. гл. 54). Изопреноидные соединения расти­

тельного происхождения включают каучук, камфо­

ру, жирорастворимые витамины А, О, Е и К и ~­

каротин (провитамин А).

ПЕРЕКИСНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЛИПИДОВ

Перекисное окисление (автоокислевие) липидов

Эргостерол содержится в растениях и дрожжах,

он важен тем, что является предшественником вита­

мина D (рис. После облучения ультрафиоле­ товым светом он приобретает противорахитное дей­ ствие (при· раскрытии кольца В).

Копростерол

Копростерол (копростанол) находится в составе ~калий и образуется в результате восстановления бактериями кишечной микрофлоры двойной связи в холестероле между атомами Cs и С6•

Другие важные стеролы н стеронды

К ним относятся желчные кислоты, гормоны ко­

ры надпочечников, половые гормоны, витамины

группы О, сердечные гликозиды, растительные сито­

стеролы и некоторые алкалоиды.

при контакте с кислородом не только приводит в не­

годность пищевые продукты (щюгоркание), но и вызы­ вает также повреждение тканей in vivo, способствуя развитию опухолевых заболеваний. Повреждающее действие инициируется свободными радикалами

(ROO", RO', ОН"), возникающими в период образо­

вания перекисей жирных кислот, содержащих двой­

ные связи, чередующиеся с метиленовыми мостика­

ми (такое чередование имеется в природных полине­

насыщенных жирных кислотах) (рис. 15.28). Перекис­ ное окисление липидов является цепной реакцией, обеспечивающей расширенное воспроизводство сво­

бодных радикалов, которые инициируют дальней­ шее распространение перекисного окисления. Весь

процесс можно представить следующим образом.

1) Инициация: образование R" из предшествен­

ника

ROOH + металл(П)+ -+ ROO" + металJfп-I)+ + Н+

полипренон1lllыe соединения

Хотя они не являются стеролами, но в известной

мере близки к последним, поскольку так же, как и хо­ лестерол (см. рис. 27.3), образованы 5-углеродными изопреноидными звеньями (рис. 15.26). К ним отно­ сятся убихинон (см. с. 126)-компонент дыхательной

2) Развитие реакции:

R' + 02 -+ ROO'

ROO' + RH -+ ROOH + R" и Т.д.

3) Терминация (прекращение реакции):

ROO' + ROO" -+ ROOR + 02

ROO' + R' -+ ROOR

R' + R' -+ RR

Поскольку гидроперекись ROOH выступает как

предшественник в процессе инициации, перекисное

окисление ЛИПИДОВ является разветвленной цепной реакцией, потенциально способной вызвать значите-

используют антиоксиданты. В пищевые продукты

с этой целью добавляют пропилгаллат, бутилиро­

ванный гидроксианизол и бутилированный гидрок­ ситолуол. К природным антиоксидантам относятся

жирорастворимый витамин Е (токоферол), а также водорастворимые ураты и витамин С. ~-Каротин

является антиоксидантом только при низких значе­

ниях Ро . Антиоксиданты распадаются на два клас-

2

са: 1) превентивные антиоксиданты, снижающие ско-

рость инициации цепной реакции, и 2) гасящие (пре­

рывающие цепь) антиоксиданты, препятствующие развитию цепной реакции. К первым.ОТНОСЯТСЯ ката­ лаза и другие пероксидазы, разрушающие ROOH,

иагенты, образующие хелатные комплексы с ме­

таллами- ДТПА (диэтилентриаминпентаацетат)

иЭДТА (этилендиаминтетраацетат). В качестве пре­

рывающих цепь антиоксидантов часто выступают

фенолы или ароматические амины. В условиях in vi-

уо главными прерывающими цепь антиоксидантами

являются супероксиддисмутаза (см. с. 126), которая

в водной фазе улавливает супероксидные свободные

радикалы (02" ), а также витамин Е, улавливающий

свободные радикалы ROO' в ЛИПИДНОЙ фазе, и, воз­

можно, мочевая кислота.

Перекисное окисление in vivo катализируется так­

же гемовыми соединениями и липоксиrеназами, на-

СН.1

РиС. 15.29. а-Токоферол.

Витамин Е (<<-токоферол)

Существует несколько природных токоферолов.

Все они являются 6-гидроксихроманами или токола­

ми с изопреноидными заместителями (рис. 15.29). а­

Токоферол наиболее широко распространен и имеет

наибольшую биологическую активность как вита­

мин.

Витамин Е выполняет по крайней мере две мета­

болические функции. Во-первых, он служит наиболее

сильнодействующим природным жирорастворимым

антиоксидантом и, во-вторых. выполняет специфиче­

скую, хотя и не до конца понятную, роль в метаоо-

лизме селена.

Витамин Е, по всей видимости, является первым

эшелоном защиты клеточных и субклеточных мем­ бранных фосфОЛИПИДОВ от перекисного окисления. Фосфолипиды митохондрий, эндоплазматического ретикулума и плазматических мембран обладают

специфическим сродством к а-токоферолу, поэтому

витамин, по-видимому, концентрируется в составе

'Этих мембран. Токоферолы действуют как антиокси­

данты, прерывающие цепи окисления благодаря их

способности переносить фенольный водород на пер­

оксидный радикал (рис. 15.30). Феноксирадикал является резонансно-стабилизированной и относите­ льно нереакционноспособной структурой, за исклю­

чением его взаимодействия с другими пероксидными

радикалами. Таким образом, а-токоферол почти не

вовлекается в процесс цепной реакции окисления;

при окислении хроманового КQльца и боковой цепи

а-токоферола образуется ПРОДУХТ, не являющийся

свободным радикалом (рис. 15.31). Этот продухт

образует конъюгат с глюкуроновой кислотой

и экскретируется с желчью. Антиоксидантное дей­

ствие а-токоферола сохраняется при высоких кон­

центраЦИ$lХ кислорода", поэтому неудивительно, что

и исходном соединении.

витамин Е накапливается в богатых липидами обла­

стях, контактирующих со средой, где поддерживае­

тся высокое парциальное давление кислорода,- в

мембранах эритроцитов и клеток дыхательных пу­

тей.

Однако даже и в присутствии адекватного коли­ чества витамина Е происходит образование некото­ рого количества перекисей. Вторым эшелоном защи­ ты мембран от разрушающего действия перекисей (см. с. 204) служит глутатвонпероксидаза, в состав ко­ торой входит селен. Таким образом, действие витами­ на Е и селена состоит, ПО-QИДИМОМУ, в предохране­ нии клеточных и субклеточных компонентов от по­ врежден.ия перекисями, обеспечивая целостность ор­

ганелл и препятствуя тем самым развитию патоло­

гических состояний при действии физических, хими­ ческих или других стрессорных факторов.

МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИИ ЛИПИДОВ,

СОДЕРЖАЩИХСЯ. В БИОЛОГИЧЕСКОМ МАТЕРИАЛЕ

Старые методы разделения и идентификации ли­

пвДов, основанные на классических операциях кри­

сталлизации, перегонки и экстракции, в настоЯщее

время в существенной степени дополнены хромато­ графическими методами. Особенно полезно приме­ нение тонкослойной хроматографви для разделения

различных классов липидов и газо-жвдкоствоi хро­

М8тографив (рис. 15.32) для разделения индивидуаль­

щх жирных кислот. Предварительной стадией при

использовании э~их методов является экстракция

липидов системой растворителей- чаще всего сме­ сью хлороформа и метанола (2: 1).

Га:ю-жвдкоства. хроматограф.. приводит к фи­

зическому разделению пропускаемой газовой фазы путем адсорбции ее компонентов на стационарной

Рис. 15.31. Схема газожидlt'ОСТНОГО хроматографа и полу­

ченное с его помощью разделение длинноцепочечных жир­

ных It'ислот (в виде метиловых эфиров); часть хромато-

граммы поlt'азана справа.

фазе, состоящей из инертного твердого носителя, на­

пример силикагеля, или инертных гранул размоло­

того жаропрочного кирпича, покрытых нелетучей

жидкостью (например, смазочным жиром или сили­

коновым маслом). На практике применяют метал­

лические или стеклянные колонки, заполненные ука­

занным Bьnne сорбентом; смесь метиловых эфиров жирных кислот в газообразном состояшm пропуска­ ют через колонку, по всей длине которой поддержи­ вается температура 170-225°С (рис. 15.32). Постоян-

Рмс. 15.33. Разделение основных классов липидов с помо­

щью тонlt'ослойной хроматографии. В It'ачсстве системы ра­ створителей пригодна система геlt'сан-диэтиловый эфир­

муравьиная It'ислота (в отношении 80:20:2 по объему).

Води...

111111..=-...

l~~JJ~:-

фаза

ЛИПИдный биcnой

Б

Н.."опярная фаза

Липосома

д

Дмфипати'lеский липид

~

80ДНО-маслян", 3МУЛloCИя

Мицелла

еодная фаза

АМФИПАТИЧЕСКИЕ ЛИПИДЫ

Мембраны, мицеллы, липосомы и эмульсии

В общем липиды нерастворимы в воде, посколь­

ку содержат преимущестренно неполярные (углево­ дородные) группы. Однако жирные кислоты, фосфо­ липиды, сфинголипиды, желчные соли и, в меньшей

степени. холестерол содержат и полярные группы.

ции к определенным органам. Эмульсин, представ­ ляющие собой взвесь в водной среде крупных частиц неполярных липидов. стабилизируются эмульги­

рующими агентами, такими, как полярные липиды

(например, лецитин), которые образуют поверхност­

ный слой, отделяющий неполярный материал от водной фазы (рис. 15.34).

Следовательно, одна часть молекулыI гидрофобиа

(нерастворима в воде) а другая-гидрофильна (ра­

створима в воде). Такие молекулы называют амфи­

патическими (рис. 15.34). На поверхности раздела масловода они располаl'аются таким образом,

чтобы полярные группы находились в водной фазе, анеполярные группы-в масдяноЙ. Бислой, образо­ ванный такими полярными липидами, считают ос­

новой структуры биологических мембран (см. гл. 42). По достижении некоторой критической концен­

трации полярные липиды образуют в водной среде

мицеллы. Агрегация желчных солей в мицеллы

и образование смешанных мицелл, содержащих про­ дукты гидролиза жиров, облегчают всасывание ли­ пидов из кишечника. Обработка находящегося в вод­

ной среде амфипатического липида ультразвуком

приводит к образованию лиnосом. Липосома пред-

ЛИТЕРАТУРА

Christie W. W. Lipid Analysis. Pergamon Press. 1973. Frankel Е. N. Chemistry of free radical and singlet oxidation of

lipids, Prog. Lipid. Res., 1985, 23, 197.

Gunstone F. D.. Harwood J. L .• Padley F. В. The Lipid Handbook, Chapman and НаН, 1986.

Gurr A.I.. James А. Т. Lipid Вiосhешistrу: Ап Introduction. 3rd ed., Wiley, 1980.

Hawthorne J. N.. Ansell G. В. (eds) Phospholipids, Elsevier, 1982.

Johnson А. R .. Davenport J. В. Biochemistry and Methodology of Lipids, Wiley, 1971.

Sevanian А., Hochstein Р. Mechanisms and ·consequences of lipid peroxidation in biological systems, Аппи. Rev. Nutr., 1985, 5, 365.

Vance D. Е.. Vance J. Е. (еш) Biochemistry of Lipids and Membranes, ВепjаmiпjСummiпgs, 1985.

Процессы промежуточного обмена включают

превращения компонентов пищи после их перевари­

вания и всасывания. Промежуточный обмен не толь­ ко описывает метаболические пути превращения ин­

дивидуальных молекул, он показывает также взаи­

мосвязи между различными метаболическими путя­

ми; исследование промежуточного обмена предпо­

лагает выяснение механизмов регуляции потоков

метаболитов по различным путям. Метаболические

пути разделяют на три категории (рис. 16.1).

1. Анаболические пути включают процессы син­

сфатов или восстановительных эквивалентов; тако­ вы дыхательная цепь и окислительное фосфорилиро­

вание.

З. Амфиболические пути выполняют сразу неско­ лько функций, они находятся на «перекрестках» ме­

таболизма и связывают анаболические и катаболи­

ческие пути; примером может служить цикл лимон­

ной кислоты.

БИОМЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

теза компонентов различных структур организма

и соединений, обеспечивающих его функционирова­

ние. Один из таких путей- синтез белков. Сво­

бодная энергия, необходимая для этих процессов, поступает в результате функционирования метабо­ лических путей, образующих следующую катего­

рию.

2. Катаболические пути включают окислитель-

Знание обмена веществ нормального организма

необходимо для понимания причин многих боле­ зней. Для нормального метаболизма характерны

адаптационные изменения в период голодания, при

физической нагрузке, в состояниях беременности

и лактации. Нарушения метаболизма возникают, на­ пример, при недостаточности питания, дефиците тех

или иных ферментов или при дисбалансе гормонов.

Важным примером болезни, обусловленной наруше­ нием метаболизма (<<метаболическая болезнь»), является сахарный диабет.

ОСНОВНЫЕ МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ ПУТИ

Характер метаболизма в тканях во многом опре­

деляется питанием. У челов.ека и ряда других млеко­

питающих метаболическим превращениям подвер­ гаются продукты, абсорбируемые после переварива­

ния содержащихся в пище углеводов, липидов и бел­

ков. Это главным образом глюкоза, триацилглице­ рол и,аминокислоты. У жвачных животных (и в ме­

ньшей степени у других травоядных) целлюлоза

переваривается симбиотическими микроорганизма­

ми с образованием низших гомологов органических

кис~от (уксусной, пропионовой, масляной); ткане­

выи метаболизм у этих животных адаптирован

к утилизации в качестве основного субстрата низших

жирных кислот.

Пища

Метаболизм yrлев~дов (рис. 16.2)

у всех млекопитающих глюкоза в клетках пре­

вращается в пируват и лактат по метаболическому

пути, который называется ГЛИКОЛИЗОМ. ДЛЯ вступле­

ния на этот путь необходимо предварительное фо­ сфорилирование. Гликолиз может протекать в от­

сутствие кислорода (анаэробно), если конечным про­ дуктом является лактат. Ткани, которые потре­ бляют кислород (аэробные условия), способны осу­ ществлять превращение пирувата в ацетил-СоА ко-

v '

торыи далее может вступать в ЦИКЛ лимоввой кисло-

ты; В этом цикле ацетил-СоА полностью окисляется дО СО2 и Н2О; большая часть потенциальной сво­ бодной энергии процесса запасается в форме АТР в результате окислительного фосфОРИЛВРОВ8ВИЯ (рис. 17.2). Таким образом, глюкоза служит главным ви­

дом топлива для многих тканей, однако она (а также

ее метаболиты) участвует и в других процессах. 1.

Глюкоза превращается в полимер гликоген, который

запасается в ряде тканей, в особенности в скелетных

мышцах и в печени. 2. Субстрат пентозофосфатного

пути является ОДНИМ из промежуточных продуктов

гликолиза. Этот путь служит источником восстано­

вительных эквивалентов (2Н), используемых в про­

цессах биосинтеза, например в биосинтезе жирных кислот; кроме того, он является источником рибозы,

необходимой для синтеза нуклеотидов и нуклеино­

вых кислот. 3. Трнозофосфат, образующийся на од­

ной из стадий гликолиза, является источником гли-

.церола, используемого в синтезе ацилглицеролов

(жиров). 4. Пируват и ряд промежуточных соедине­

ний цикла лимонной кислоты- это источники угле­

родных скелетов, используемых в синтезе аминоки­

слот, а ацетил-СоА служит основным строительным

блоком в синтезе длинноцепочечных жирных кислот

и холестерола - предшественника всех синтезируе­

1. Ацетил-СоА может полностью ОКИСЛlIТьсtl дО

СО2 + Н2О В цикле лимонной кислоты. Жирные ки­

слоты являются источником значительных коли­

честв энергии (тканевым топливом) при утилизации

в процессе ~-окисления, а затем в ходе реакций цикла

лимонной кислоты.

2. Ацетил-СоА служит источником атомов угле­

рода для холестерола.

3. В печени из него образуется ацетоацетат­ исходное кетоновое тело. Кетоновые тела являются

альтернативным водорастворимым тканевым то­

пливом, которое при определенных условиях может

стать важным источником энергии (например, при

голодании).

Метаболизм амииокислот (рис. 16.4)

мых в организме .стероидов.

Метаболизм липидов (рис. 16.3)

Источником длинноцепочечных жирных кислот

служат синтез de novo из ацетил-СоА (в свою оче­ редь образующегося из углевоДов) и пищевые липи­ ды. В тканях жирные кислоты· могут либо окисля­ ться до ацетил-СоА (р..окисление), либо эстерифици­

роваться в ацилглицеролы (триацилглицерол являе­

тся главным энергетическим резервом организма). Ацетил-СоА, образующийся при ~-окислении, уча­

ствует в ряде важных процессов.

Аминокислоты необходимы для синтеза белков. Некоторые из них должны обязательно поступать с пищей (незаменимые аминокислоты), поскольку

ткани не способны их синтезировать. Остальные

аминокислоты (заменимые) также поступают с пи­ щей, но могут образовываться и из промежуточных метаболитов путем переаминировання, т. е. переноса

аминогрупп от других аминокислот, присутствую­

щих в избыточном количестве. После дезамввирова­ нии избыточный аминный азот удаляется в составе мочевины; остающийся после переаминирования углеродный скелет либо окисляется дО СО2 в цикле

лимонной кислоты, либо превращается в глюкозу

(глюконеогенез) или кетоновые тела.

~---._ Трм,цмnгnмцерол (жир)

IZ

j

ЛОКАЛИЗАЦИЯ МЕТАБОЛИЧЕСКИХ ПУТЕЙ

Как показано на рис. 2.3, метаболические пути

можно исследовать на разных уровнях организации,

которые удобно разделить на две главные группы: 1)

на уровне органов и тканей - в "Этом случае можно сле­

дить за поступающими в ткань субстратами и уходя­ щими из нее метаболитами и описать ход их превра­ шений; 2) на субклеточном уровне- каждая клеточ­

ная органелла (например, митохондрия), каждый

компартмент (например, цитозоль) выполняют спе­

цифическую биохимическую роль в рамках .0бщеЙ системы внутриклеточного метаболизма.

трацию глюкозы в крови на физиологическом уров­

не за счет запасов гликогена (гликогенолиз) или же (вместе с почками) путем преврашения в глюкозу не­

углеводных метаболитов, таких, как лактат, глице­ рол и аминокислоты (глюконеогенез). Поддержание

в крови адекватной концентрации глюкозы жизнен­ но важно для ряда тканей, использующих в качестве топлива исключительно 'ПОТ моносахарид (мозг,

эритроциты). В печени осуществляются также синтез главных белков плазмы (например, альбумина)

и дезаминирование аминокислот, присутствующих

в избыточном количестве; образующаяся при этом

мочевина переносится током крови в почки и экскре­

тируется.

Промежуточный метаболизм на уровне

тканей и органов

Аминок~слоты, образовавшиеся после перевари­

вания белков, и глюкоза. образовавшаяся в резуль­

тате переваривания углеводов., после всасывания по­

ступают в печеночную в~ротную вену. Следователь­ но, эти метаболиты вместе с другими водораствори­

мыми продуктами пищеварения сначала поступают

в печень (рис. 16.5). Печень выполняет важную мета­ болическую функцию- регулирует концентрации

Скелетная мышца использует в качестве топлива

глюкозу, превращая ее в лактат и СО:!. Запасаемый

мышцей гликоген используется как топливо в про­

цессе мышечного сокращения. В мышце осуществ­

ляется синтез мышечных белков из аминокислот

плазмы. На долю мышечной ткани приходится око­

ло 50% всей массы организма; таким образом, она содержит значительный запас белка, который может

быть использован для пополнения аминокислот плазмы крови, особенно в те периоды, когда их недо­

статочно в пищевом рационе.