биохимия краткий курс часть 1

Недостаточность витамина связана в основном с нарушением его всасывания. Для всасывания необходим внутренний фактор Касла, синтезируемый обкладочными клетками желудка. Гиповитаминоз может развиться при атрофическом и анацидном гастрите, а также после тотального удаления желудка при хирургических операциях. Основным проявлением авитаминоза является пернициозная анемия, для которой характерно снижение количества эритроцитов в кровотоке, увеличение их размера. Помимо нарушения кроветворной функции, для авитаминоза В12 специфично также расстройство деятельности нервной системы (фуникулярныймиелоз), объясняемое токсичностью метилмалонил-КоА.

Витамин С (аскорбиновая кислота, антицинготный витамин)

Источники: свежие фрукты, овощи, зелень. Наиболее богаты витамином С плоды сухого шиповника, облепиха, черная смородина.

Биологическая роль: аскорбиновая кислота как донатор водорода участвует в реакциях гидроксилирования: остатков пролина и лизина при синтезе коллагена, что обеспечивает полноценность соединительной ткани и ускорение грануляций; также витамин С участвует в реакциях гидроксилированияпри синтезе стероидных гормонов, желчных кислот, дофамина до норадреналина. Аскорбиновая кислота участвует в реакциях восстановления: в кишечнике восстанавливает Fе3+ в Fе2+, способствуя его всасыванию, ингибирует процессы нитрозирования, защищает от оксидативной модификации.

Недостаточность витамина С приводит к заболеванию, называемому цингой. Болеют цингой только человек, приматы и морские свинки. Остальные животные способны синтезировать витамин С из глюкозы. Главные проявления авитаминоза обусловлены в основном нарушением образования коллагена в соединительной ткани. Вследствие этого наблюдают разрыхление десен, расшатывание зубов, нарушение целостности капилляров, сопровождающееся подкожными кровоизлияниями и кровоизлияниями во внутренние органы, кровоточивостью десен.

Пантотеновая кислота

Источники: содержится во многих продуктах животного и растительного происхождения (яйцо, печень, мясо, рыба, молоко, дрожжи, зеленые части растений), кроме того пантотеновая кислота синтезируется микрофлорой кишечника.

Биологическая роль: образует кофермент ацилирования –коэнзим А (КоА) путем присоединения нуклеотида и фосфорилирования. Кофермент участвует в переносе и активации ацилов –остатков жирных кислот. В виде ацетил-КоА и сукцинил-КоА пантотеновая кислота принимает участие в общем пути катаболизма – в цикле Кребса. Кроме того, КоАнеобходим для обмена липидов: участвует в окислении и синтезе жирных кислот, синтезе жиров, сложных липидов, кетоновых тел. КоА необходим для ацетилирования холина, ксенобиотиков, синтеза гема.

21

Недостаточность витамина встречается довольно редко из-за повсеместного распространения. У человека и животных развиваются дерматиты, депигментация и выпадение волос и шерсти у животных, нарушение деятельности нервной системы (невриты, параличи), дистрофические изменения в надпочечниках.

2.2. ЖИРОРАСТВОРИМЫЕ ВИТАМИНЫ

Витамин А (антиксерофтальмический)

Витаминной активностью обладают ретинол, ретиналь, ретиноевая кислота (ретиноат).

Источники: витамин А содержится в продуктах животного происхождения: печени, яичном желтке, молочных продуктах, особенно богат витамином А рыбий жир. Красномякотные овощи и фрукты содержат провитамин А – каротины, которые в кишечнике и в печени превращаются в витамин А.

Биологическая роль: ретиноевая кислота действует подобно липофильным гормонам – в ядре клеток-мишеней взаимодействует со своими рецепторами, образовавшийся комплекс взаимодействует с регуляторными участками ДНК и стимулирует транскрипцию генов. Белки, синтезирующиеся при этом, влияют на нормальную дифференцировку клеток (эмбрион, эпителий, кость), кроме того, ретиноат обладает антиопухолевой функцией. Ретинол участвует в репродукции, малые дозы витамина А выполняют антиоксидативную функцию. Витамин А выполняет и антиинфекционную функцию, особенно у детей (предотвращая заболевания дыхательных путей и желудочно-кишечного тракта). Все эти функции витамина А называют системными. Одна из форм витамина А – ретиналь участвует в восприятии света.

Клинические проявления гиповитаминоза А: наиболее ранним и характерным признаком недостаточности витамина А является нарушение сумеречного зрения (гемералопия, или «куриная» слепота). Специфично также поражение глазного яблока – ксерофтальмия, т.е. развитие сухости роговой оболочки глаза в результате закупорки слезного канала в связи с ороговением эпителия. Глазное яблоко не омывается слезной жидкостью, которая обладает бактерицидным действием. В результате этого развиваются конъюктивит, отек, изъязвление и размягчение роговицы (кератомаляция). При авитаминозе А наблюдают кератоз эпителиальных клеток всех органов, в результате чего развивается избыточное ороговение кожи, поражение эпителия ЖКТ, мочеполовой системы и дыхательного аппарата. Помимо авитаминоза А описаны случаи гипервитаминоза А при употреблении в пищу печени белого медведя, тюленя, моржа. Характерными проявлениями гипервитаминоза А являются: воспаление глаз, выпадение волос, головные боли, диспепсические расстройства, бессонница. Большие дозы витамина А обладают тератогенным действием.

22

Витамин К, нафтохиноны (антигеморрагический)

Источники: продукты растительного (капуста, шпинат, корнеплоды и фрукты) и животного (печень) происхождения. Кроме того, витамин синтезируется микрофлорой кишечника.

Биологическая роль: витамин К путем восстановления образует коферментную форму – нафтогидрохинон, который участвует в - карбоксилировании глутамата. Эта реакция лежит в основе активации второго, седьмого, девятого и десятого факторов свертывания крови. Эти белковые факторы синтезируются как неактивные предшественники. Один из этапов активации – их -карбоксилирование по остаткам глутаминовой кислоты с образованием - карбоксиглутаминовой кислоты, необходимой для связывания ионов кальция.

Авитаминоз К обычно развивается вследствие нарушения всасывания витамина в кишечнике (из-за дефицита желчных кислот), а не в результате его отсутствия в пище. Основное проявление авитаминоза К – самопроизвольные паренхиматозные и капиллярные кровотечения (носовые кровотечения, внутренние кровоизлияния). Кроме того, любые поражения сосудов (включая хирургические операции) при авитаминозе К могут привести к обильным кровотечениям.

Антивитамины К являются непрямыми антикоагулянтами (фенидион, аценокумарол), их широко используют для лечения заболеваний, при которых отмечается повышенная свертываемость крови (тромбофлебиты, коронарные тромбозы). Эти препараты способствуют разжижению сгустка крови.

Витамин Е (токоферол)

Источники: растительные масла, салат, капуста, семена злаков, желток яйца. Депонируется в мышечной, жировой ткани.

Биологическая роль: витамин Е является антиоксидантом, необходим для нормальной репродукции и нормальной функции мышц.

Авитаминоз у недоношенных детей проявляется развитием гемолитической анемии, возможно из-за разрушения мембран эритроцитов в результате перекисного окисления, может развиться дистрофия мышц. У животных отмечается нарушение эмбриогенеза и дегенеративные изменения репродуктивных органов, самопроизвольные аборты.

Витамин Д (кальциферол, кальциол, антирахитический)

Источники: сливочное масло, желток яйца, печень, рыбий жир (Д3), растительные масла, дрожжи (Д2). Кроме того, витамин Д образуется в коже человека из холестерина под влиянием УФ-лучей.

Биологическая роль: в организме витамин Д гидроксилируется сначала в печени по 25 углероду, а затем в почках и плаценте по 1 положению, в результате чего образуется биологически активное соединение – кальцитриол, который действует как липофильный гормон – через ядерные рецепторы. Кальцитриол увеличивает концентрацию кальция и фосфата в плазме крови,

23

стимулируя всасывание кальция из кишечника, реабсорбцию кальция и фосфатов в почках, активирует остеокласты – клетки, разрушающие кость. Кальцитриол способствует минерализации молодой кости, поддерживает тонус мышц, снижает пролиферацию и увеличивает дифференцировку гемопоэтических клеток и некоторых опухолей.

При недостатке витамина Д у детей развивается рахит. Для него характерна деминерализация костей, в результате чего развивается замедленное окостенение и деформация костей (искривление ног Х- или О-образной формы). Характерным является также гиперпродукция остеоидной ткани – появляются рахитические четки и браслеты; развивается слабость мышц («лягушачий» живот»). Биохимическая диагностика рахита: характерным является снижение фосфата в сыворотке крови и увеличение активности щелочной фосфатазы.

Для гиповитаминоза Д у взрослых характерной особенностью является развитие остеопороза. Вследствие вымывания уже отложившихся солей кальция снижается плотность костной ткани, кости становятся хрупкими, что часто приводит к патологическим переломам (может развиться на фоне почечной недостаточности, гипокинезии и особенно при климаксе у женщин и др.)

Поступление в организм большого количества витамина Д может вызвать гипервитаминоз Д. При этом отмечается избыточное

2.3. ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

Выбрать один правильный ответ

16.ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПОЛНОЦЕННОГО КОЛЛАГЕНА ИЗ ПРОКОЛЛАГЕНА НЕОБХОДИМ ВИТАМИН

1)С

2)РР

3)В6

4)А

17.ПРОЦЕСС СВЕРТЫВАНИЯ КРОВИНАРУШАЕТСЯПРИ ДЕФИЦИТЕ ВИТАМИНА

1)Е

2)К

3) С

4)В2

18.ВИТАМИН В12СИНТЕЗИРУЕТСЯ

1)животными клетками

2)бактериями кишечника

3)растениями

4)грибами

24

19.КОФЕРМЕНТОМ АМИНОТРАНСФЕРАЗ ЯВЛЯЕТСЯ

1)пиридоксаль

2)пиридоксин

3)пиридоксальфосфат

4)пиридоксамин

20.ОДНИМ ИЗ НАИБОЛЕЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ПРИРОДНЫХ АНТИОКСИДАНТОВ ЯВЛЯЕТСЯ

1)филлохинон

2)викасол

3)биотин

4)токоферол

21.ДЛЯ НОРМАЛЬНОГО СВЕТОВОСПРИЯТИЯ НЕОБХОДИМ

1)ретинол

2)токоферол

3)рибофлавин

4)пиридоксаль

22.АНТИГЕМОРРАГИЧЕСКИМ ДЕЙСТВИЕМ ОБЛАДАЕТ ВИТАМИН

1)ретинол

2)нафтохинон

3)аскорбиновая кислота.

4)биотин

23.В РЕАКЦИЯХ КАРБОКСИЛИРОВАНИЯ ПРИНИМАЕТ УЧАСТИЕ

1)тиамин

2)рибофлавин

3)биотин

4)пантотеновая кислота

24.В ЖИВОТНОМ ОРГАНИЗМЕ ИЗ ТРИПТОФАНА СИНТЕЗИРУЕТСЯ

1)амид никотиновой кислоты

2)рибофлавин

3)пантотеновая кислота

4)викасол

25.ПРИ АВИТАМИНОЗЕ В1 НАРУШАЕТСЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ

1)аминотрансферазы

2)пируватдегидрогеназы

3)глутаматдегидрогеназы

4)лактатдегидрогеназы

26.КСЕРОФТАЛЬМИЮ ВЫЗЫВАЕТ ДЕФИЦИТ В ОРГАНИЗМЕ

1)аскорбиновой кислоты

2)тиамина

25

3)ретинола

4)токоферола

27.ПОВЫШЕНИЕ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ХРУПКОСТЬ СОСУДОВ ВОЗНИКАЮТ ПРИ НЕДОСТАТОЧНОСТИ

1)тиамина

2)ниацина

3)пиридоксина

4)аскорбиновой кислоты

28.КОФЕРМЕНТОМ ТРАНСФЕРАЗ, ПЕРЕНОСЯЩИХ ОДНОУГЛЕРОДНЫЕ ФРАГМЕНТЫ, ЯВЛЯЕТСЯ

1)ТПФ

2)НАД+

3)ТГФК

4)КоА

29.НЕДОСТАТОЧНОСТЬ ВИТАМИНА РР ВЫЗЫВАЕТ РАЗВИТИЕ

1)подагры

2)пеллагры

3)панкреатита

4)бери-бери

30.В ОБМЕНЕ ЛИПИДОВ УЧАСТВУЕТ ВИТАМИН

1)тиамин

2)пантотеновая кислота

3)пиридоксин

4)рибофлавин

3.БИООКИСЛЕНИЕ И БИОЭНЕРГЕТИКА

Основным источником энергии для всех организмов на Земле является солнечное излучение. Растения в результате фотосинтеза улавливают эту энергию и расходуют ее на превращение неорганических веществ – СО2 и воды

– в богатые энергией органические соединения (например, глюкозу). Человек и животные не способны к фотосинтезу и получают необходимую им энергию в виде готовых органических веществ, в ходе распада которых эта энергия освобождается. Часть энергии рассеивается в виде тепла, которое используется на поддержание постоянной температуры тела, а часть – на синтез АТФ. В организме АТФ используется на сокращение мышц (механическую работу), активный транспорт ионов через мембрану (осмотическую работу), для биосинтезов (химическая работа), для регуляции. Таким образом, АТФ сопрягает процессы катаболизма, идущие с выделением энергии, и процессы анаболизма, идущие с потреблением энергии.

26

Катаболизм основных питательных веществ протекает в три этапа. На первом, подготовительном, этапе, который протекает в желудочно-кишечном тракте, происходит расщепление высокомолекулярных соединений пищи до мономеров. Так, углеводы распадаются до глюкозы, жиры – до глицерина и жирных кислот, белки – до аминокислот. На этом этапе освобождается менее 1% энергии преимущественно в виде тепла. Катаболизму подвергаются также эндогенные белки, жиры и углеводы. Их распад происходит в лизосомах.

Второй этап катаболизма протекает внутриклеточно и специфически для веществ каждого класса. Он завершается образованием четырех главных метаболитов: пирувата, ацетил-КоА, α-кетоглутарата, оксалоацетата. Причем, аминокислоты в ходе пере- и дезаминирования образуют все четыре метаболита, глюкоза в ходе гликолиза превращается в пируват, из которого затем образуется ацетил-КоА, глицерин в ходе окисления превращается в пируват, а затем – тоже в ацетил-КоА, жирные кислоты в ходе β-окисления превращаются сразу в ацетил-КоА. На втором этапе освобождается 1/3 часть энергии питательных веществ.

Третий этап катаболизма происходит в митохондриях и представляет собой общий путь катаболизма, протекающий одинаково для метаболитов всех обменов. Третий этап протекает в две фазы: первая фаза – цикл Кребса, куда поступают все главные метаболиты В цикле Кребса освобождаются углекислый газ и атомы водорода, поступающие в дыхательную цепь, представляющую вторую фазу третьего этапа. В результате транспорта атомов водорода по дыхательной цепи до кислорода образуется вода. На третьем этапе катаболизма освобождается 2/3 всей энергии, запасенной в питательных веществах, причем большая часть – в дыхательной цепи.

Пируват, образовавшийся на втором этапе катаболизма, прежде чем вступить в цикл Кребса, подвергается окислительному декарбоксилированию. Реакцию катализирует мультиферментныйпируватдегидрогеназный комплекс, в состав которого входит 3 разных фермента и 5 коферментов: тиаминпирофосфат, содержащий витамин В1, НSКоА (в его составе пантотеновая кислота), ФАД (в его составе витамин В2), НАД+, в составе которого витамин РР, и липоамид (в его составе липоевая кислота). Промежуточные метаболиты, образующиеся при участии каждого фермента комплекса, не выделяются в свободном виде, а передаются от одного фермента к другому. Это предотвращает диффузию промежуточных метаболитов, что делает работу комплекса максимально эффективной, так как значительно ускоряет процесс.

Суммарное уравнение реакции окислительного декарбоксилирования пирувата:

CH3-CO-COOH + NAD+ + HSKoA CH3-CO~SKoA + NADH + H+ + CO2

27

3.1. ЦИКЛ КРЕБСА

Ацетил-КоА, образовавшийся в реакции, катализируемой пируватдегидрогеназным комплексом, далее вступает в цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот), где оба атома углерода ацетильного остатка окисляются до 2 молекул СО2. Атомы водорода, освобождающиеся в окислительно-восстановительных реакциях цикла, поставляются в дыхательную цепь при участии НАД+- и ФАД-зависимых дегидрогеназ.

В первой реакции цикла, катализируемой цитратсинтазой, атом углерода метильной группы ацетил-КоА связывается с карбонильной группой оксалоацетата .Вторая реакция представляет обратимое превращение цитрата в изоцитрат. В третьей реакции цикла, катализируемой НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназой, происходит окислительноедекарбоксилированиеизоцитрата.

Эта самая медленная реакция цикла, ее продуктом является α- кетоглутарат. В четвертой реакции происходит окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата, катализируемое α- кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, который по своему строению и функциям сходен с пируватдегидрогеназным комплексом. Этот комплекс также состоит из 3 ферментов и 5 коферментов, среди которых тиаминпирофосфат, НSКоА, ФАД, НАД и липоевая кислота. Продуктами реакции являются сукцинил-КоА, СО2 и НАДН. В пятой реакции происходит субстратное фосфорилирование – это синтез ГТФ (или АТФ) из ГДФ (или АДФ) и неорганического фосфата за счет энергии, освобождающейся при разрыве макроэргической связи в субстрате (рис. 1). В этой реакции происходит разрыв макроэргической связи в сукцинил-КоА, освобождающаяся при этом энергия используется для фосфорилирования ГДФ до ГТФ. Энергия ГТФ в большей степени используется в биосинтезе белка, поэтому большая часть ГТФ вступает в реакцию с АДФ, в результате чего образуется универсальный макроэрг–АТФ:

ГТФ + АДФ  ГДФ + АТФ

В шестой реакции происходит окисление сукцината до фумарата при участии ФАД-зависимой дегидрогеназы. В седьмой реакции, катализируемой фумаразой, происходит образование малата. В последней реакции цикла происходит дегидрирование малата НАД+-зависимой малатдегидрогеназой в результате чего происходит регенерация оксалоацетата. Таким образом, за один оборот цикла Кребса сгорает одна молекула ацетил-КоА, оба углеродных атома которого превращаются в углекислый газ; а освободившиеся в окислительных реакциях 8 атомов водорода восстанавливают 4 кофермента (3 НАД+ и 1 ФАД). Атомы водорода с восстановленных коферментов поступают в дыхательную цепь, где транспортируются до кислорода, что приводит образованию воды. В итоге конечными продуктами полного окисления ацетил-КоА являютсяСО2 и вода.

28

Рис.1. Цикл Кребса

Регуляция цикла Кребса: регуляторными ферментами цикла являются цитратсинтаза, изоцитратдегидрогеназа (самый медленный фермент), α- кетоглутаратдегидрогеназа. Аллостерически цикл ингибируют АТФ, НАДН и ацил-КоА, активируют АДФ и НАД+. Скорость цикла увеличивается под действием гормонов: катехоламинов и глюкагона (в печени). Поддерживает активность цикла Кребса инсулин.

Роль цикла Кребса.Катаболически-энергетическая функция цикла состоит в том, что здесь происходит катаболизм углеродных скелетов метаболитов всех видов обмена; кроме того, здесь происходит дегидрирование субстратов и поставка водородов с восстановленных коферментов в дыхательную цепь. Энергетическая функция цикла состоит в том, что в нем происходит образование 1 АТФ путем субстратного фосфорилирования.

Цикл Кребса – один из амфиболических путей метаболизма, то есть он выполняет не только катаболические, но и анаболические функции – ряд промежуточных продуктов используется в качестве субстратов для биосинтезов. Так, α-кетоглутарат, пируват и оксалоацетат используются для синтеза заменимых аминокислот, сукцинил-КоА – для биосинтеза порфиринов (гем). Кроме того, метаболиты цикла могут использоваться для синтеза глюкозы, жирных кислот, холестерина. Анаболические функции цикла Кребса

29

наиболее характерны для клеток печени. Убыль метаболитов, использованных для анаболических целей, восполняется с помощью анаплеротических (пополняющих) реакций, главной из которых является реакция карбоксилированияпирувата, катализируемая пируваткарбоксилазой в присутствии биотина:

Пируват + СО2 + АТФ + Н2О  Оксалоацетат +АДФ +Н3РО4

Цикл Кребса выполняет также и регуляторную функцию, так как его метаболиты выступают в роли регуляторов обменных процессов. Так, НАДН является ингибитором окислительного катаболизма, цитрат активирует синтез жирных кислот и ингибирует гликолиз, ацетил-КоА является обязательным активатором глюконеогенеза и ингибитором пируватдегидрогеназного комплекса.

3.2.ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ

Вживых организмах окисление органических веществ кислородом

происходит с образованием воды и СО2, что называется тканевым дыханием. Тканевое дыхание включает дегидрирование субстратов (отнятие от них водорода) и последующий многоэтапный процесс переноса электронов на кислород. Именно в ходе этого процесса происходит освобождение энергии, заключенной в электронах водорода. Однако в эксперименте непосредственное взаимодействие водорода с кислородом хотя и приводит к образованию воды, но сопровождается взрывом, ибо при этом вся энергия электронов водорода освобождается одномоментно. В организме образование воды происходит через ряд реакций, благодаря этому энергия электронов освобождается не одномоментно, а порциями. Это становится возможным благодаря тому, что во внутреннюю мембрану митохондрий встроена система переносчиков, называемая дыхательной цепью (ДЦ).

ДЦ – это совокупность дыхательных переносчиков, которые переносят сначала атомы водорода, а затем только электроны от субстрата на кислород. Большинство переносчиков представляют собой сложные белки-ферменты класса оксидоредуктаз. В их составе содержатся различные небелковые компоненты: ФМН, ионы Fе. Все компоненты ДЦ располагаются в порядке возрастания редокс-потенциала (рис.2). Самый высокий редокс-потенциал у кислорода. Это обеспечивает последовательное перемещение электронов от

Рис.2. Дыхательная цепь

30