1. Тема занятия № 31

БИОХИМИЯ МЫШЦ И СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ

ТКАНИ

2. Цели самостоятельной работы: углубить знания о химическом составе мышечной и соединительной ткани и об особенностях обменных процессов в данных тканях у детей

3. Задачи самостоятельной работы:

- знать основные и минорные белки мышц, биохимические механизмы мышечного сокращения и расслабления;

- знать основные белки и углеводы соединительной ткани, уметь использовать знания их химического состава с диагностическими целями.

4. Перечень вопросов для самостоятельной работы

Разделы и темы для самостоятельного изучения	Виды и содержание самостоятельной работы
Химический состав нервной ткани и особенности её обменных процессов Химический состав и метаболизм мышечной ткани Биохимия соединительной ткани Витамин С Биохимия печени	Работа с учебником Написание рефератов Работа с тестами Решение ситуационных задач Подготовка презентаций

Химический состав и метаболизм мышечной ткани

Химический состав:

80-82% – вода, 20% сухой остаток (18% белки, азотистые небелковые вещества, липиды, углеводы, минеральные вещества).

Белки мышц.

Белки мышц делятся на 3 вида:

• саркоплазматические (водорастворимые), составляют 30% всех белков мышц;

• миофибриллярные (солерастворимые белки), составляют 50% всех белков;

• стромальные белки (водонерастворимые белки), составляют 20% всех белков.

Миофибриллярные белки представлены миозином, актином, (основные) тропомиозином и тропонином (минорные белки).

Миозин - белок толстых нитей миофибрилл, имеет молекулярную массу около 500 000, состоит из двух тяжёлых цепей и четырёх лёгких цепей. Тяжёлые цепи формируют «хвост», а лёгкие – «головку» (глобулярно-фибрилярный белок). Головка миозина обладает ферментативной АТФ-азной активностью. На миозин приходится 50% миофибриллярных белков.

Актин представлен глобулярной формой (G-форма) и фибрилярной формой (F-форма). G- форма имеет молекулярную массу 43 000. F-форма имеет вид закрученной нити из шаровидных G-форм. На этот белок приходится 20-30% миофибриллярных белков.

Тропомиозин - минорный белок с молекулярной массой 65 000. Он имеет овальную палочковидную форму, укладывается в углублениях актиновойй нити, и выполняет функцию изолятора между актиновой и миозиновой нитью.

Тропонин – Са - зависимый белок, который меняет свою структуру при взаимодействии с Са²⁺.

Саркоплазматитческие белки представлены миоглобином, ферментами, компонентами дыхательной цепи.

Стромальные белки - коллаген, эластин.

Азотистые экстрактивные вещества мышц

К азотистым небелковым веществам относятся нуклеотиды (АТФ), аминокислоты (в частности, глютамат), дипептиды мышц карнозин (β-аланил-гистидин) и ансерин (метилированный карнозин). Дипептиды влияют на активность натриевых, кальциевых насосов, на работоспособность мышц, на апопоптоз, являются антиоксидантами.

К

NH₂

азотистым веществам относятся также креатин, фосфокреатин и креатинин. Креатин синтезируется в печени и транспортируется в мышцы. Вне сокращения креатин депонируется в виде фосфокреатина. В процессе сокращения фосфокреатин переходит в креатинин.

Липиды. В мышцах присутствуют все виды липидов.

Углеводы: глюкоза, гликоген и продукты обмена (лактат, пируват).

Минеральные в-ва: Са, Nа, К, Р.

Химизм мышечного сокращения и расслабления

При возбуждении мышцы из саркоплазматического ретикулума ионы Са²⁺ выходят в цитоплазму, где концентрация Са увеличивается до 10^-3 моля. Ионы кальция взаимодействуют с тропонином, изменяют его конформацию. В результате тропомиозин смещается вдоль актинового волокна и освобождает участки взаимодействия актина и миозина. Активируется АТФ-азная активность миозина, меняется угол наклона головки по отношению к хвосту и в результате наблюдается скольжение актиновых нитей относительно миозиновых, происходит сокращение.

Для мышечного сокращения последовательно используются следующие источники энергии:

• эндогенный запас АТФ,

• эндогенный запас креатинфосфата,

• АТФ, синтезируемый в миокиназной реакции (2 АДФ → АМФ + АТФ),

• анаэробное окисление глюкозы,

• аэробные процессы окисления глюкозы, жирных кислот, ацетоновых тел.

По прекращению импульсов Са²⁺ «закачивается» в саркоплазматический ретикулум под действием Са-АТФ-азы за счёт энергии АТФ. При этом концентрация Са в цитоплазме снижается до 10^-7 моля, прекращается взаимодействие тропонина с Са, тропомиозин изолирует актин от миозина и наступает расслабление.

Детские особенности химического состава мышц заключаются в большем содержании воды, меньшей доли миофибриллярных белков, большем уровне стромальных белков.

Биохимия соединительной ткани

Разнообразные виды соединительной ткани построены по одному принципу. В большой массе межклеточного основного вещества (протеогликаны и сетчатые гликопротеиды) распределены волокна (коллагеновые, эластиновые, ретикулиновые) и разнообразные клетки (макрофаги, фибробласты, и другие клетки).

Соединительная ткань выполняет разнообразные функции:

• опорная (костный скелет);

• барьерная;

• метаболическая (синтез в фибробластах химических компонентов ткани);

• депонирующая (накопление меланина в меланоцитах);

• репаративная (участие в заживлении ран);

• участие в водно-солевом обмене (протеогликаны связывают внеклеточную воду).

Состав и обмен основного межклеточного вещества

Состав протеогликанов и гликопротеидов (смотри химию углеводов)

Синтез гликопротеидов и протеогликанов.

Углеводный компонент протеогликанов представлен гликозаминогликанами (ГАГ), включающими в свой состав аминосахара и уроновые кислоты.

Исходным веществом для их синтеза служит глюкоза.

1. глюкозо- 6 - фосфат → фруктоза-6-фосфат ^{глютамин} → глюкозамин.

2. глюкоза → УДФ-глюкоза → УДФ-глюкуроновая кислота

3. глюкозамин + УДФ-глюкуроновая кислота + ФАФС → ГАГ

4. ГАГ + белок → протеогликан

Распад протеогликанов, гликопротеидов осуществляется различными ферментами: гиалуронидаза (отщепляет гиалуроновую кислоту), идуоронидаза, гексаминидазы, сульфатазы.

Обмен белков соединительной ткани (представлены коллагеном и эластином, смотри химию белков)

Синтез коллагена происходит в фиробластах во внеклеточном пространстве и включает несколько стадий. В начале синтезируется проколлаген (представлен тремя полипептидными цепями, имеющими дополнительные N и С фрагменты). Затем происходит посттрансляционная модификация проколлагена двумя способами: путём окисления (гидроксилирования) и путём гликозилирования. Окислению подвергается аминокислоты лизин и пролин при участии лизиноксигеназы, пролиноксигеназы, железа и витамина С. Образовавшиеся гидроксилизин, гидроксипролин, участвуют в образовании поперечных связей в коллагене. Присоединение углеводного компонента происходит при участии гликозилтрансфераз. Модифицированный проколлаген переходит в межклеточное пространство, где подвергается частичному протеолизу. При этом отщепляются N и С фрагменты, и проколлаген переходит в тропоколлаген (структурный блок коллагенового волокна).

Распад коллагена осуществляется ферментом коллагеназой. Это цинксодержащий фермент, синтезируется в виде проколлагеназы, активируется трипсином, плазмином, калликреином. Коллагеназа расщепляет коллаген в середине молекулы на большие фрагменты, эти фрагменты расщепляются далее цинксодержащими ферментами желатиназами. Коллаген - медленно обменивающийся белок.

Обмен эластина изучен недостаточно. Считается, что синтез эластина в виде проэластина происходит только в эмбриональном периоде. Распад эластина осуществляется ферментом нейтрофилов эластазой, который синтезируется в виде проэластазы, а затем активируется.

Особенности состав и обмена соединительной ткани в детском возрасте

• Выше доля протеогликанов.

• Иное соотношение ГАГ (больше гиалуроновой кислоты, меньше хондротинсульфатов и кератансульфатов).

• Преобладает коллаген 3 типа, менее устойчивый и более быстро обменивающийся.

• Интенсивнее происходит обмен соединительной ткани.

Патология соединительной ткани

Возможны врожденные нарушения обмена ГАГ и протеогликанов – мукополисахаридозы (см. «Патология углеводного обмена»). Вторую группу заболеваний соединительной ткани составляют коллагенозы, в частности, ревматизм. При них наблюдается деструктция коллагена, одним из симптомов которой является гидроксипролинурия

Витамин С, аскорбиновая кислота, антицинготный витамин

Витамин С по химической природе является лактоном кислоты, похожей на глюкозу. Суточная потребность для взрослого 50 – 100 мг. Распространён в фруктах, овощах. Биологическая роль витамина С:

- участвует в синтезе коллагена,

- участвует в обмене тирозина,

- участвует в переходе фолиевой кислоты в ТГФК,

- является антиоксидантом.

Авитаминоз проявляется цингой (гингивит, анемия, кровоточивость).

Биохимия нервной ткани

Головной мозг содержит серое (тела нейронов) и белое (аксоны) вещество. Их химический состав представлен ниже.

Белки головного мозга делятся на две группы:

- водорастворимые и солерастворимые (нейроальбумины, нейроглобулины, гистоны, нуклеопротеиды, фосфопротеиды).

- водонерастворимые и соленерастворимые (нейроколлаген, нейроэластин, нейростромин.

Азотистые небелковые вещества включают аминокислоты (ГЛЮ, АСП – возбуждающие аминокислоты), пурины, мочевую кислоту, дипептиды, нейропептиды, биогенные амины, нейромедиаторы.

Нейропептиды (нейроэнкефалины, нейроэндорфины) – это пептиды, обладающие морфиноподобным обезболивающим эффектом, являются иммуномодуляторами, выполняют нейромедиаторную функцию.

Липиды головного мозга составляют 5-17% сырой массы или 30 - 70% от сухой массы мозга. Они представлены:

- свободными жирными кислотами (арахидоновая, цереброновая, нервоновая);

- фосфолипидами (ацетальфосфатиды, сфингомиелины, холинфосфатиды);

- холестерином;

- сфинголипидами (ганглиозиды, цереброзиды)

Распределение жиров в сером и белом веществе происходит неравномерно. В сером веществе ниже содержание холестерина, выше концентрация цереброзидов, в белом веществе выше доля холестерина и ганглиозидов.

Углеводы головного мозга содержатся в очень низкой концентрации, что является результатом активного использования глюкозы в нервной ткани. Они представлены глюкозой (0,05%), метаболитами углеводного обмена.

Минеральные вещества: натрий, кальций, магний, распределены равномерно, но содержание фосфора выше в белом веществе.

Основной функцией нервной ткани является проведение и передача нервного импульса.

Проведение нервного импульса связано с изменением концентрации натрия и калия внутри и вне клеток. При возбуждении нервного волокна резко увеличивается проницаемость нейронов и их отростков для натрия. Натрий из внеклеточного пространства поступает внутрь клеток. Выход калия из клеток задерживается, поэтому происходит возникновение заряда на мембране: наружная поверхность приобретает отрицаетльный заряд, а внутренняя – положительный заряд. Возникает потенциал действия. По окончании возбуждения ионы натрия «выкачиваются» во внеклеточное пространство К, Na-АТФ-азой, и мембрана становится снаружи заряженной положительно, а внутри - отрицательно. Возникает потенциал покоя.

Передача нервного импульса происходит в синапсах с помощью нейромедиаторов. Классическими нейромедиаторами являются ацетилхолин и норадреналин.

Ацетилхолин синтезируется их ацетил-КоА и холина ацетилхолинтрансферазой, накапливается в синаптических пузырьках, выделяется в синаптическую щель и взаимодействует с рецепторами постсинаптической мембраны, разрушается холинэстеразой.

СН₃-СО-О-СН₂-СН₂ –N(СН₃)₃ - ацетилхолин

Норадреналин синтезируется из тирозина, разрушается моноаминоксидазой.

В качестве медиаторов могут выступать ГАМК (гамма - аминомасляная кислота), серотонин, глицин.

Особенности метаболизма нервной ткани

• Наличие гематоэнцефалического барьера ограничивает проницаемость мозга для многих веществ.

• Преобладают аэробные процессы.

• Основным энергетическим субстратом является глюкоза.

Особенности химического состава головного мозга у детей

К рождению сформировано 2/3 нейронов, остальная треть формируется в течение первого года жизни. Масса мозга у годовалого около 80% от массы взрослого человека. В процессе созревания мозга резко увеличивается содержание липидов (миелинизация).

Биохимия печени

Химический состав ткани печени: 80% вода, 20% сухой остаток (белки, азотистые вещества, липиды, углеводы, минеральные вещества).

Печень участвует во всех видах обмена нашего организма.

Углеводный обмен: синтез и распад гликогена, глюконеогенез, усвоение галактозы и фруктозы, активен пентозофосфатный путь.

Липидный обмен: синтезируется триацилглицерины, фосфолипиды, холестерин, синтезируется липопротеиды (ЛПОНП, ЛПВП), из холестерина синтезируется жёлчные кислоты, активен синтез ацетоновых тел, которые затем транспортируются в ткани,

Азотистый обмен: активен обмен белков, происходит синтез всех альбуминов и большинства глобулинов плазмы крови, факторов свёртывания крови, а также создаётся резерв белков организма. Активен катаболизм аминокислот – дезаминирование, трансаминирование, синтез мочевины. В печени происходит распад пуринов с образованием мочевой кислоты, синтез азотистых веществ - холина, креатина.

Антитоксическая функция: обезвреживание как экзогенных (лекарственные препараты), так и эндогенных (билирубин, продукты гниения белков) веществ.

Детоксикация происходит в несколько этапов. На первых стадиях повышается полярность и гидрофильность обезвреживаемых веществ путём окисления (индол в индоксил), гидролиза (ацетилсалициловая кислота → уксусная + салициловая), восстановления и т. д. В последующем происходит конъюгирование с глюкуроновой кислотой, серной кислотой, гликоколом, глютатионом, металотионеином (для солей тяжелых металлов)

В результате биотрансформации токсичность, как правило, снижается, а, в отдельных случаях, может повышаться.

Пигментный обмен: обезвреживание билирубина, разрушение уробилиногена

Порфириновый обмен: в печени синтезируется порфобилиноген, уропорфириноген, копропорфириноген, протопорфирин и гем.

Обмен гормонов: инактивация адреналина, стероидов (конъюгирование, окисление), серотонина, других биогенных аминов.

Водно-солевой обмен: синтезируется ангиотензиноген и белки плазмы крови, определяющие онкотическое давление,.

Минеральный обмен: депонируются железо, медь, синтезируются – церулоплазмин, трансферрин, с жёлчью экскретируются минеральные вещества.

У детей в силу незрелости гепатоцитов все функции печени протекают менее активно.

5. Тесты

1. В соединительной ткани новорожденных детей преобладает коллаген:

Первого типа. Второго типа, Третьего типа

2. Особенности содержания гликозаминогликанов в соединительной ткани детей раннего возраста заключаются в следующем:

Преобладает гиалуроновая кислота. Преобладают хондроитинсульфаты. Преобладают кератансульфаты

3. Особенности обмена гликозаминогликанов в раннем детском возрасте проявляются:

В более интенсивном, чем у взрослых обмене. В замедленном обмене. В повышенной относительной экскреции гликозаминогликанов с мочой

4. Биохимический механизм развития мукополисахаридозов заключается:

В снижении активности ферментов синтеза гликозаминогликанов.

В снижении активности ферментов распада гликозаминогликанов

5. При синдроме Гурлера отсутствует фермент:

α-L-идуронидаза. Нейраминидаза. Галактозо-6- сульфатсульфатаза

6. При синдроме Моркио отсутствует фермент:

α-L-идуронидаза. Нейраминидаза. Галактозо-6- сульфатсульфатаза

7. При синдроме Слая отсутствует фермент:

α-L-идуронидаза. Нейраминидаза. Галактозо-6- сульфатсульфатаза.

Β -глюкуронидаза

6. Ситуационные задачи

1. Больной жалуется на боли в суставах пальцев. Содержание мочевой кислоты в крови составляет 260 мкМ/л, количество сиаловых кислот 4,5 мМ/л (норма составляет 2,0 – 2,3 мМ/л). Какое заболевание можно исключить?

2. У больного ребёнка с болями в суставах при обследовании выявлена повышенная экскреция аминокислоты гидроксипролина.

О поражении какой ткани свидетельствуют данные анализа мочи?

3. Отметьте, какие биохимические последствия имеет недостаток витамина С в организме.

4. Отметьте источники энергии для сокращения скелетных мышц в первые минуты после нагрузки и в последующий период

7. Основная и дополнительная литература к теме

Основная

Биохимия. Под ред. Е.С. Северина. 2003. С. 687-720

Биохимия. Краткий курс с упражнениями и задачами. 2001. С.162-176, 423-429

А.Я. Николаев Биологическая химия. 2004. С. 518-530

О.Д. Кушманова. Руководство к лабораторным занятиям по биологической химии. 1983.

Т.Т. Березов, Б.Ф. Коровкин. Биологическая химия. 1990. С. 504-533

Лекционный материал

Дополнительная

Марри Р. Биохимия человека. М. «Мир». 1993. С. 311-318, 332-351 (2)

Ю.Е. Вельтищев, М.В. Ермолаев, А.А. Ананенко, Ю.А. Князев. «Обмен веществ у детей». М.: Медицина. 1983. 462 с.

Р.М. Кон, К.С. Рот. Ранняя диагностика болезней обмена веществ. М. «Медицина».- 1986.

Макаренко Т.Г., Стунжас Н.М. Учебно-методические пособия «Биохимические особенности детского организма». Смоленск. 2001. 2007.

Макаренко Т.Г., Стунжас Н.М. Учебно-методическое пособие «Особенности обмена веществ у новорожденных и грудных детей» (Рекомендовано УМО). Смоленск. 2012.

Тер-Галстян А.А. Болезнь Морфана // Росс. Вестник перинатологии,-2008. - №4.-С.58-66

Дельвиг А.А. Изучение биохимических дефектов при наследственных болезнях соединительной ткани //Вопр. мед. химии.-1986.- №2.- С. 2-14

Лыскина Г.А. Проблемы системных заболеваний соединительной ткани у детей //Педиатрия.-2004.- №2.-С. 46-52

Литвиненко Л.Ф. Биохимические методы в диагностике заболеваний соединительной ткани //Клин. лаб. диагностика.- 2001.- №10.-С.45-46

Экзаменационные вопросы к теме «Биохимия тканей»

1. Биохимия соединительной ткани. Особенности химического состава. Роль витамина С в биосинтезе коллагена. Проявления недостаточности витамина С. Изменения соединительной ткани при её системных заболеваниях (коллагенозах), старении. Оксипролинурия и её диагностическое значение.

2. Биохимия печени. Роль печени в углеводном, жировом, белковом и пигментном обменах. Антитоксическая функция печени.

3. Биохимия мышц. Особенности химического состава. Важнейшие белки миофибрилл. Биохимические основы мышечного сокращения и расслабления. Особенности энергетического обмена. Азотистые экстрактивные вещества и их значение. Креатинурия.

4. Биохимия нервной ткани. Особенности химического состава и метаболизма. Важнейшие медиаторы нервной системы, их образование и распад. Физиологически активные пептиды мозга.