Основной путь получения энергии - гликолиз, 90% глюкозы в эритроцитах распадается в процессе анаэробного гликолиза.

Энергия, поставляемая гликолизом, обеспечивает поддержание целостности плазматической мембраны и работу Na⁺, K⁺-АТФазы.

Особенностью гликолиза в эритроцитах является наличие шунта, приводящего к образованию 2,3-дифосфоглицерата - одного из регуляторов переноса кислорода. При связывании его с гемоглобином уменьшается сродство гемоглобина к кислороду и облегчается освобождение кислорода из эритроцитов в тканях.

Реакция образования 2,3-дифосфоглицерата, отсутствующая в «классическом» гликолизе, называется шунт Раппопорта.

10 % глюкозы распадается в эритроците в пентозофосфатном пути. Образующийся при этом НАДФН обеспечивает восстановление глутатиона и поддерживает его оптимальную концентрацию. Восстановленный глутатион необходим для поддержания в восстановленной форме SH-групп белков; препятствует окислению гемоглобина; предотвращает перекисное окисление липидов мембран. При снижении концентрации восстановленного глутатиона эритроцит быстро «стареет».

Лейкоциты:

Лейкоциты являются полноценными клетками с большим ядром, митохондриями и высоким содержанием нуклеиновых кислот.

В лейкоцитах активно протекают процессы биосинтеза нуклеиновых кислот и белков.

Основной путь получения энергии - аэробный гликолиз. АТФ образуется также в реакциях в-окисления жирных кислот.

В лейкоцитах сосредоточен весь гликоген крови, который является источником энергии при недостаточном её поступлении.

В лизосомах лейкоцитов локализована мощная система протеолитических ферментов - протеазы, фосфатазы, эстеразы, ДНК-азы, РНК-азы, что обеспечивает участие этих клеток в защитных реакциях организма. В результате действия этих ферментов разрушаются полимерные молекулы микроорганизмов и образуются мономеры (моносахариды, аминокислоты, нуклеотиды), которые поступают в цитозоль и могут использоваться клеткой.

Поглощение бактерий лейкоцитами в процессе фагоцитоза сопровождаются резким увеличением потребления кислорода с образованием супероксидного аниона и пероксида водорода (см. лекцию № 11), которые оказывают бактерицидное действие. Это явление называется «распираторным взрывом».

Лимфоциты.

Продуцируются в лимфатической ткани. Интенсивный синтез белков и г-глобулинов в этих клетках обуславливает важную роль лимфоцитов в иммунных процессах (образование антител).

Тромбоциты - кровяные пластинки.

Тромбоциты не могут считаться полноценными клетками, поскольку не содержат ядра.

В тромбоцитах протекают основные биохимические процессы: синтез белка, реакции обмена углеводов и липидов, окислительное фосфорилирование.

Основная функция тромбоцитов - участие в процессе свертывания кровиобусловлена наличием тромбоцитарных факторов свертывания.

Гемоглобин человека

Гемоглобин - сложный железосодержащий белок, относится к классу гемопротеинов. Выполняет две важные функции:

перенос кислорода из легких к периферическим тканям;

участие в переносе СО₂ и протонов из периферических тканей в легкие.

Производные гемоглобина

Молекула гемоглобина взаимодействует с различными лигандами, образуя производные гемоглобина.

Дезоксигемоглобин - ННb - не связанный с кислородом и содержащий гем с двухвалетным железом Fe²⁺.

Оксигемоглобин - ННbO₂ - полностью оксигенированный гемоглобин, связанный с четырьмя молекулами кислорода.

Карбгемоглобин - ННbCO₂ - гемоглобин, связанный с СО₂. Выполняет функцию выведения СО₂ из тканей к легким. Соединение нестойкое, легко диссоциирует в легочных капиллярах. Этим путем выводится до 10-15% СО₂.

Карбоксигемоглобин - ННbСО - образуется при отравлении оксидом углерода (II). Сродство гемоглобина к СО примерно в 300 раз выше, чем к кислороду, при этом гемоглобин теряет способность связывать кислород и наступает смерть от удушья.

Метгемоглобин - MetHb - образуется при действии окислителей (нитрит натрия, нитробензол). Содержит железо в трехвалентной форме Fe³⁺ и теряет способность к переносу кислорода. В норме образуется небольшое количество метгемоглобина - примерно 0,5 % в сутки.

Варианты гемоглобина в онтогенезе

Количество и состав фракций гемоглобина изменяется в процессе онтогенеза. Все гемоглобины представляют собой тетрамеры, построенные из разного набора субъединиц (б, в, г, д) и преимущественно образуются на разных этапах развития организма человека - от эмбрионального до взрослого состояния. Различают следующие физиологические типы гемоглобинов: примитивный гемоглобин НbР, фетальный гемоглобин HbF (fetus - плод), гемоглобин взрослых HbA, HbA₂, HbA₃ (adultus - взрослый).

Примитивный гемоглобин - синтезируется в эмбриональном желточном мешке через несколько недель после оплодотворения. Состоит из двух б- и двух е-цепей (2б, 2е). Через две недели после формирования печени плода в ней начинает синтезироваться HbF, который к шести месяцам полностью замещает НbР.

Фетальный гемоглобин - синтезируется в печени и костном мозге плода до периода его рождения. Состоит из двух б- и двух г-цепей (2б, 2г). Характеризуется более высоким сродством к кислороду и обеспечивает эффективную доставку кислорода к эмбриону из системы кровообращения матери. HbF является главным типом гемоглобина плода. Кровь новорожденного содержит до 80% HbF, но к концу 1-го года жизни он почти целиком заменяется на HbA. В крови взрослого человека присутствует в минимальном количестве - до 1,5% от общего количества гемоглобина.

Гемоглобин А - основной гемоглобин взрослого человека (96 % от общего количества). Начинает синтезироваться в клетках костного мозга уже на 8-м месяце развития плода. HbA состоит из двух б- и двух в-цепей.

Минорные гемоглобины:

HbA₂ - 2б 2д, в крови взрослого человека примерно 2,6 % HbA₂. Обладает большим сродством к кислороду.

HbA₃ - 2б 2в, однако имеются изменения в строении в-цепей по сравнению с HbA. Появляется в крови в небольших количествах при старении.

Гемоглобинопатии

Все структурные аномалии белковой части гемоглобина называют гемоглобинозами. Различают:

гемоглобинопатии;

талассемии.

Гемоглобинопатии - наследственные изменения структуры какой-либо цепи нормального гемоглобина вследствие точечных мутаций генов. Известно около 300 вариантов HbA, имеющих в первичной структуре б- или в-цепи незначительные изменения. Некоторые из них практически не влияют на функции белка и здоровье человека, другие - вызывают значительные нарушения функции HbA и развитие заболеваний различной степени тяжести.

В аномальных гемоглобинах изменения могут затрагивать аминокислоты:

находящиеся на поверхности белка;

участвующие в формировании активного центра;

аминокислоты, замена которых нарушает трехмерную конформацию молекулы;

аминокислоты, замена которых изменяет четвертичную структуру белка и его регуляторные свойства.

Аномальные гемоглобины отличаются от HbA по первичной структуре, форме, величине заряда. При этом изменяются такие свойства как сродство к кислороду, растворимость, устойчивость к денатурации и др.

Примеры.

Серповидноклеточная анемия. Наследственное заболевание, связанное с заменой глутаминовой кислоты в 6-м положении (с N-конца) на валин в в-цепях молекулы гемоглобина S. Растворимость дезоксигемоглобина S значительно снижена. Его молекулы начинают «слипаться», образуя волокнистый осадок, который деформирует эритроцит, придавая ему форму серпа (полумесяца). Такие эритроциты плохо проходят через капилляры тканей, закупоривают сосуды и создают локальную гипоксию. Они быстро разрушаются и возникает гемолитическая анемия. Дети, гомозиготные по мутантному гену, часто умирают в раннем возрасте. Болезнь распространена в странах Южной Америки, Африки и Юго-Восточной Азии.

Гемоглобин М - в результате мутации в гене происходит замена в б- или в-цепи гистидина (в 7-м или 8-м положении) на тирозин. В результате этого Fe²⁺ окисляется в Fe³⁺ и образуется метгемоглобин, не способный связывать кислород. Развивается цианоз и гипоксия тканей.

Талассемии - наследственные заболевания, связанные с нарушением синтеза б- или в-цепей.

в-талассемии развиваются в результате снижения синтеза в-цепей. Проявляется после рождения, при этом в крови наряду с НbА появляется до 15 % НbА₂ и 15-60 % HbF. Болезнь характеризуется гиперплазией и разрушением костного мозга, поражением печени, селезенки и сопровождается гемолитической анемией.

б-талассемии возникают при нарушении синтеза б-цепей. При полном отсутствии б-цепей наступает внутриутробная гибель плода, так как не образуется HbF, а тетрамеры г₄ обладают высоким сродством к кислороду и не способны выполнять транспортную функцию, что ведет к развитию тканевой гипоксии и к смерти вскоре после рождения.

Обмен железа

В организме взрослого человека содержится 3-4 г железа, из этого количества около 3,5 г находится в плазме крови. Гемоглобин эритроцитов содержит примерно 68 % всего железа организма, ферритин - 27 % (резервное железо печени, селезенки, костного мозга), миоглобин (в мышцах) - 4 %, трансферрин (в плазме крови) - 0,1. На долю всех содержащих железо ферментов приходится примерно 1 % железа, имеющегося в организме.

Рис. 30.1 Обмен железа в организме человека

В обмене железа принимает участие ряд белков.

Апоферритин. Белок связывает железо в эритроцитах и превращается в ферритин, который остается в энтероцитах. Таким способом регулируется поступление железа в капилляры крови из клеток кишечника. Когда потребность организма в железе невелика, скорость синтеза апоферритина повышается. При недостатке железа в организме апоферритин в энтероцитах почти не синтезируется.

Трансферрин. Это транспортный белок, относится к гликопротеинам, синтезируется в печени. Он имеет два центра связывания железа. Трансферрин транспортирует железо с током крови к местам депонирования и использования. В норме трансферрин насыщен железом приблизительно на 33 %.

Ферритин. Олигомерный белок с молекулярной массой 450 к Да. Он состоит из 24 идентичных протомеров, образующих полую сферу. Железо депонируется в ферритине в виде гидроксифосфата. Содержание железа в молекуле ферритина непостоянно. Функция ферритина - депонирование железа. Ферритин содержится почти во всех тканях, но в наибольшем количестве в печени, селезенке, костном мозге.

Железодефицитные анемии

Железодефицитные анемии развиваются в результате нарушения обмена железа. Встречаются чаще других форм анемий.

Основные причины:

хронические кровопотери;

нарушения всасывания железа в ЖКТ (язвы, опухоли после операций на ЖКТ);

повышенная потребность организма в железе (при беременности, у детей);

недостаток железа в пище (как правило у детей, получающих мало мясной пищи).

Характерные признаки железодефицитных анемий:

понижение концентрации гемоглобина (в единице объема крови) и числа эритроцитов в периферической крови;

снижение уровня сывороточного железа;

снижение насыщения трансферрина железом;

снижение концентрации ферритина;

повышение железосвязывающей способности сыворотки крови.

Железодефицитные анемии сопровождаются задержкой роста и развития (у детей), слабостью, снижением работоспособности, восприимчивостью к инфекциям.

Белки плазмы крови

Из 10 % сухого остатка плазмы крови на долю белков приходится около 7 %. Плазма крови, лишенная фибриногена, называется сывороткой. Содержание белков в сыворотке крови в норме составляет 65-85 г/л.

Белки плазмы крови выполняют множество функций.

Транспортная (альбумины, трансферрин, транскортин и др.).

Защитная:

белки системы свертывания крови способствуют сохранению постоянного количества крови в сосудистом русле при повреждениях;

г-глобулины обеспечивают иммунную защиту;

белки системы комплемента.

Поддержание онкотического (коллоидно-осмотического) давления крови (альбумины).

Регуляция кислотно-основного равновесия (белковая буферная система).

Белки плазмы крови являются резервом аминокислот для организма.

Характеристика белков сыворотки крови

Белки системы комплемента - к этой системе относятся 20 белков, циркулирующих в крови в форме неактивных предшественников. Их активация происходит под действием специфических веществ, обладающих протеолитической активностью. Продукты протеолиза обладают высокой биологической активностью.

Биороль белков системы комплемента:

защитная функция, обеспечивают лизис бактериальных клеток;

регуляция проницаемости и тонуса сосудов;

обеспечивают хемотаксис клеток;

обеспечивают взаимодействие между клетками (реакции агрегации тромбоцитов).

Существует два пути активации белков системы комплемента:

классический - инициируется иммуноглобулинами и их комплексами с антигенами;

альтернативный - инициируется микробными полисахаридами и липополисахаридами бактериальных клеток.

Белки кининовой системы - кинины, биологически активные пептиды, сходные по происхождению, строению и биологическим свойствам. К ним относятся брадикинин и каллидин. Кинины образуются в тканях и в крови из неактивных белков-предшественников кининогенов, которые синтезируются в печени. Кининогены подвергаются ферментативному расщеплению под действием калликреинов, которые имеются в плазме, клетках крови и во многих органах. Тканевые калликреины освобождают из кининогенов каллидин (10 аминокислотных остатков), а плазменные калликреины - брадикинин (9 аминокислотных остатков).

Биороль белков кининовой системы:

расслабляют гладкие мышцы кровеносных сосудов (сосудорасширяющее действие);

снижают артериальное давление;

повышают проницаемость капилляров;

стимулируют сокращения сердца;

вызывают сокращение гладких мышц бронхов, матки, кишечника;

раздражают болевые рецепторы;

участвуют в развитии воспалительных реакций.

Белки-ингибиторы протеолиза - способны ингибировать трипсин и другие протеолитические ферменты. Основной представитель б₁-антитрипсин. Содержание в норме 2,5 - 4 г/л, при воспалительных процессах в организме их содержание увеличивается до 5 - 7 г/л. Эти белки освобождаются из лизосом при разрушении бактериальных клеток и обеспечивают минимальное повреждение тканей.

Белки острой фазы. Содержание некоторых белков в плазме крови может резко увеличиваться при острых воспалительных процессах и некоторых других патологических состояниях (травмы, ожоги, инфаркт миокарда). Такие белки называют белками острой фазы, так как они принимают участие в развитии воспалительной реакции организма. Основной индуктор синтеза большинства белков острой фазы в гепатоцитах - полипептид интерлейкин, освобождающийся из мононуклеарных фагоцитов.

К белкам острой фазы относят С-реактивный белок, гаптоглобин, кислый гликопротеин, б₁-антитрипсин (см. выше), фибриноген.

С-реактивный белок, соединяясь с бактериальными полисахаридами или фосфолипидами поврежденных тканей, может активировать систему комплемента. В сыворотке крови здорового организма С-реактивный белок отсутствует, но обнаруживается при многих патологических состояниях, сопровождающихся воспалением и некрозом тканей в острой период болезни. Так, при обострении ревматоидного артрита его концентрация может возрастать в 30 раз по сравнению с нормой. С переходом в хроническую фазу заболевания С-реактивный белок исчезает из крови.

Гаптоглобин составляет примерно четверть всех б₂-глобулинов. Гаптоглобин при внутрисосудистом гемолизе эритроцитов образует комплекс с гемоглобином, который разрушается в клетках РЭС. Образование такого комплекса предотвращает потери организмом железа, содержащегося в гемоглобине. Гаптоглобин также относят к белкам острой фазы, его содержание в крови повышается при острых воспалительных заболеваниях. Например, снижение концентрации гаптоглобина в крови наблюдают при гемолитической анемии.

Патологии системы свертывания крови

Гемофилии

Гемофилин - наследственные заболевания, обусловленные отсутствием определенных факторов свертывания крови. Гемофилия А связана с дефицитом фактора VIII, гемофилия В (болезнь Кристмаса) - фактора IX, гемофилия С - фактора XI. Наиболее часто встречается гемофилия А. Ген фактора VIII локализован в X-хромосоме. Повреждение этого гена проявляется как рецессивный признак, поэтому у женщин, в геноме которых две Х-хромосомы, гемофилии А не бывает. Заболевание может проявляться сразу после рождения и только у лиц мужского пола. Характерные признаки заболевания: медленное заживление пупочной ранки и кровотечения из нее в первые три недели жизни, кровоизлияния в мозг и мозговые оболочки в течение первого года жизни, подкожные, внутрисуставные кровоизлияния, желудочно-кишечные и спонтанные кровотечения. Частая потеря крови приводит к развитию железодефицитной анемии.

Диссеминированное внутрисосудистое свертывание (ДВС-синдром)

ДВС-синдром представляет собой общепатологический процесс, вызванный проникновением в кровоток активаторов свертывания крови и агрегации тромбоцитов. Это приводит к одновременной активации и последующему истощению системы свертывания крови и фибринолитической системы. Вследствие этой активации образуется тромбин (в капиллярах возникают мелкие тромбы за счет полимеризации фибрина) и плазмин, гидролизующий фибриноген. Коагуляция (процессы тромбообразования) сопровождается геморрагическими явлениями (обильными кровотечениями).

Причины возникновения ДВС-синдрома разнообразны: инфекции, гипоксия, ацидоз, тяжелые травмы, деструкция тканей, новообразования, иммунные заболевания, аллергические реакции, лечение препаратами, вызывающими агрегацию тромбоцитов, антикоагулянтами и фибринолитиками.

31. Биохимия почек

Почка - парный орган, основной структурной единицей которого является нефрон. Благодаря хорошему кровоснабжению почки находятся в постоянном взаимодействии с другими тканями и органами и способны влиять на состояние внутренней среды всего организма.

Функции почек:

· мочеобразовательная и экскреторная: почками выводятся из организма конечные продукты катаболизма, продукты обезвреживания токсичных веществ, избыток веществ, всосавшихся в кишечнике или образовавшихся в процессе метаболизма, ксенобиотики;

· гомеостатическая: почками регулируются осмоляльность и объем внеклеточной жидкости, водно-солевой гомеостаз, кислотно-щелочное равновесие;

· эндокринная: в почках синтезируются простагландины, эритропоэтин, гормонально активная форма витамина D₃, протеолитический фермент ренин;

· метаболическая: в почках происходит синтез некоторых факторов регуляции системы свертывания крови (урокиназа), системы комплемента, фибринолиза. Почки участвуют и в катаболизме некоторых белков и пептидов, имеющих низкую молекулярную массу. К ним относятся гормоны и другие биологически активные вещества. В клетках канальцев, под действием лизосомальных протеолитических ферментов эти белки и пептиды гидролизуются до аминокислот, которые поступают в кровь и реутилизируются клетками других тканей.

Особенности биохимических процессов в почечной ткани

· Высокая интенсивность энергетического обмена. Большие затраты АТФ связаны с процессами активного транспорта при реабсорбции, секреции, а также с биосинтезом белков. Основной путь получения АТФ - это окислительное фосфорилирование. Поэтому ткань почки нуждается в значительных количествах кислорода. Масса почек составляет всего 0,5% от общей массы тела, а потребление кислорода почками составляет 10% от всего поступившего кислорода.

· Использование в качестве основного источника энергии жирных кислот (на их окисление расходуется 80% кислорода, поступающего в почки).

· Использование в качестве источника энергии глюкозы, которая обеспечивает до 10% энергопотребностей почек.

· Активный глюконеогенез (при голодании в почках вырабатывается до 75% всей глюкозы).

· Основной орган окислительного метаболизма инозитола.

· Высокая скорость биосинтеза белков.

· Катаболизм белков плазмы малого и среднего размера (5-6 кДа), например, инсулина и других пептидных гормонов.

· Высокая активность глутаминазы, которая катализирует распад глутамина с образованием NH₃ и тем самым участвует в поддержании кислотно-основного равновесия.

· Происходит начальная реакция синтеза креатина.

32. Особенности метаболизма в нервной ткани

Человеческий мозг - это самая сложная из всех известных живых структур. Нервной системе и, в первую очередь, головному мозгу принадлежит важнейшая роль в координации поведенческих, биохимических, физиологических процессов в организме. С помощью нервной системы организм воспринимает изменения внешней среды и на них реагирует. Головной мозг является орудием познавательной деятельности человека и вопрос, как же работает человеческий мозг - остается одним из центральных в науке.

Нервная ткань состоит из нескольких типов клеток. Нейрон - это нервная клетка со всеми ее отростками. Для поддержания нормального функционирования нейрона существуют два механизма:

Трансверзальный транспорт веществ - обмен веществ из внеклеточного пространства.

Лонгитудинальный транспорт - непрерывный обмен веществ между телом и отростками нейрона, касается, главным образом, репродукции нейроплазмы.

Функции аксонального плазматического тока

Непрерывное возмещение составных частей нейрона в норме и при патологии.

Освобождение веществ из нейрона в связи с синаптическим переносом, его трофическими и другими функциями.

Транспорт трофических веществ из целевого органа в тело нейрона.

Передача метаболической информации между отдельными участками нейрона.

В аксональном транспорте участвуют как внутриклеточные органоиды (митохондрии, лизосомы, синаптические пузырьки, нейрофиламенты), так и отдельные метаболиты (липиды, нуклеотиды, гликопротеины, свободные аминокислоты и др.).

Вторым типом клеток нервной ткани является глия. Нейроглия - система клеток, непосредственно окружающих нервные клетки головного и спинного мозга и прямо не участвующих в специфической функции нервной ткани. Популяция клеток глии в ЦНС более чем в 10 раз превышает количество нейронов. Нейроглия специлизируется на выполнении вспомогательных, в отношении нейронов, функций: опорной, трофической, изоляционной, секреторной, защитной, поглощения химических медиаторов, участия в восстановлении и регенерации (глиальные клетки сохраняют способность к делению в течение всей жизни организма).

Методы раздельного биохимического анализа нейронов и глии:

1. Метод микроманипуляций (1950-1960гг. - Хиден и Эндстрем в Швеции, Лоури в США).

2. Метод количественной цитохимии - Касперсон, 30-е годы ХХ века.

3. Метод обогащения фракций - Rose, 1965 г.

Гемато-энцефалический барьер (ГЭБ)

Большая часть стенок капилляров мозга (85-90%) покрыты выростами астроцитов, а остальная часть их поверхности окружена собственно телами глиальных клеток. Контакт между астроцитами и стенкой капилляров настолько тесен, что внешне поверхности мембран этих двух элементов как бы сливаются образуя двойную перегородку. Благодаря такой двойной перегородке возникает барьер, через который с трудом проникают многие растворимые в крови вещества. Морфологическую основу ГЭБ составляют - эндотелий сосудов мозга, периваскулярная базальная мембрана и плазматическая мембрана глиальных клеток. Интенсивность проникновения в мозг ряда веществ через ГЭБ определяется не только состоянием ГЭБ, но и интенсивностью функционирования и метаболизма ЦНС. Уровень деятельности и метаболизма нервной ткани является фактором, регулирующим функцию ГЭБ. С одной стороны, ГЭБ играет роль в защите головного мозга от экзогенных и эндогенных токсинов, циркулирующих в крови, а с другой - препятствуют «ускользанию» нейромедиаторов и других активных соединений из интерстициальной жидкости в кровь. Однако наиболее важной функцией ГЭБ, по видимо, является сохранение особой внутренней среды для головного мозга.

Общие особенности метаболизма нервной ткани

Высокая интенсивность в сравнении с другими тканями.

Поразительно высокий уровень обмена сохраняется при отсутствии большой функциональной активности - во время сна.

Метаболизм в периферических нервных волокнах отличается от обмена самих нервных клеток.

Общая интенсивность метаболизма в нервных волокнах низкая.

Обмен свободных аминокислот в головном мозге

Аминокислоты играют важную роль в метаболизме и функционировании ЦНС. Это объясняется не только исключительной ролью аминокислот как источников синтеза большого числа биологически важных соединений, таких как белки, пептиды, некоторые липиды, ряд гормонов, витаминов, биологически активных аминов. Аминокислоты и их дериваты участвуют в синаптической передаче, в осуществлении межнейрональных связей в качестве нейротрансмитеров и нейромодуляторов. Существенной является также их энергетическая значимость ибо аминокислоты глутаминовой группы непосредственно связаны с циклом трикарбоновых кислот. Обобщая данные об обмене свободных аминокислот в головном мозге, можно сделать следующие выводы:

1. Большая способность нервной ткани поддерживать относительное постоянство уровней аминокислот.

2. Содержание свободных аминокислот в головном мозге в 8 - 10 раз выше, чем в плазме крови.

3. Существование высокого концентрационного градиента аминокислот между кровью и мозгом за счет избирательного активного переноса через ГЭБ.

4. Высокое содержание глутамата, глутамина, аспарагиновой, N-ацетиласпарагиновой кислот и ГАМК. Они составляют 75 % пула свободных аминокислот головного мозга.

5. Выраженная региональность содержания аминокислот в различных отделах мозга.

6. Существование компартментализированных фондов аминокислот в различных субклеточных структурах нервных клеток.

7. Ароматические аминокислоты имеют особое значение как предшественники катехоламинов и серотонина.

Нейропептиды

В последнее время значительно увеличился интерес к управлению важнейшими функциями мозга с помощью пептидов. Открыто достаточно большое количество пептидов, способных в очень низких концентрациях воздействовать на нервную ткань, выступая в качестве модуляторов ряда функций, а также действия нейромедиаторов, гормонов, фармакологических средств. С учетом преимущественной локализации этих пептидов в ЦНС они получили название нейропептидов. По сравнению с другими системами межклеточной сигнализации, пептидная система оказалась наиболее многочисленной (сейчас открыто свыше 600 природных нейропептидов) и полифункциональной.

Нейропептиды представляют собой малые и средние по размеру пептиды, как правило, линейные, содержащие от 2 до 40-50 аминокислотных остатков. Часть нейропептидов модифицирована по концевым аминокислотам. Нейропептиды - это межклеточные передатчики информации. Они выполняют, нередко одновременно, функции нейромедиаторов, нейромодуляторов и дистантных регуляторов. Нейропептиды (вместе с другими регуляторными соединениями) образуют функционально непрерывную систему, функциональной континуум. Каждый нейропептид обладает своеобразным комплексом биологических активностей. Нейропептиды синтезируются путем протеолиза больших пептидов- предшественников в нейронах и сосредотачиваются в везикулах нервных окончаний. Срок полураспада большинства нейропептидов варьирует от минут (для олигопептидов) до часов (для пептидов среднего размера). Существует сложная иерархическая система, в которой одни нейропептиды индуцируют или подавляют выход других нейропептидов. При этом сами нейропептиды-индукторы обладают, кроме того, способностью непосредственно вызывать ряд биохимических и физиологических эффектов.

Энергетический обмен в нервной ткани

Характерными чертами энергетического обмена в ткани головного мозга являются:

1. Высокая его интенсивность в сравнении с другими тканями.

2. Большая скорость потребления кислорода и глюкозы из крови. Головной мозг человека, на долю которого приходится 2% от массы тела, потребляет до 20% всего кислорода, используемого организмом в покое.

3. Потребление кислорода серым веществом на 30-50% выше, чем белым. Периферические нервы используют в 30 раз меньше кислорода, чем эквивалентное по массе количество ткани из ЦНС.

4. Различная скорость потребления кислорода отдельными регионами ЦНС: кора больших полушарий > мозжечок > промежуточный мозг > средний и продолговатый мозг > спинной мозг.

5. Нейроны отличаются более интенсивным дыханием, чем глиальные клетки. В коре больших полушарий 70% от общего поглощения кислорода приходится на нейроны и 30% на глиальные клетки.

6. Невозможность замены основного энергетического субстрата, глюкозы, другими соединениями, интенсивно окисляющимися в других тканях.

7. Приблизительно 70% всей производимой в мозге АТФ расходуется на поддержание ионных градиентов между содержимым нервных клеток и окружающей средой.

Особенности углеводного обмена в ткани головного мозга

Функциональная активность мозга в наибольшей степени зависит от обмена углеводов.

Головной мозг в качестве энергетического материала использует почти исключительно глюкозу.

Доминирующим путем метаболизма глюкозы в нервной ткани является аэробный гликолиз.

Важная роль для метаболизма мозга гексокиназы, как основного механизма вовлечения глюкозы в гликолиз.

Существование единого функционального комплекса из двух ферментов гликолиза - гексокиназы и фосфофруктокиназы, синхронно однонаправленно регулируемых пулом адениловых нуклеотидов.

Липидный обмен в нервной ткани

Липидный состав головного мозга уникален не только по высокой концентрации общих липидов, но и по содержанию здесь их отдельных фракций. Почти все липиды головного мозга представлены тремя главными фракциями: глицерофосфолипидами, сфинголипидами и холестеролом, который всегда обнаруживается в свободном, а не эстерифицированном состоянии, характерном для большинства других тканей.

Обмен липидов в нервной ткани имеет следующие особенности

мозг обладает высокий способностью синтезировать жирные кислоты;

в мозге практически не происходит в-окисления жирных кислот;

скорость липогенеза в головном мозге неодинакова в различные сроки постнатального периода;

постоянство состава липидов в зрелом мозге подтверждает низкую скорость их обновления в целом;

фосфатидилхолин и фосфатидилинозит обновляются в ткани мозга быстро;

скорость синтеза холестерола в мозге высока в период его формирования. С возрастом активность этого процесса уменьшается;

синтез цереброзидов и сульфатидов протекает наиболее активно в период миелинизации.

В зрелом мозге 90 % всех цереброзидов находятся в миелиновых оболочках, тогда как ганглиозиды - типичные компоненты нейронов.

Роль медиаторов в передаче нервных импульсов

Большинство синапсов в нервной системе млекопитающих является химическими. Процесс передачи сигнала в химическом синапсе осуществляется посредством освобождения нейромедиаторов из пресинаптических нервных окончаний. К нейромедиаторам относятся в настоящее время 4 группы веществ: моноамины, аминокислоты, пуриновые нуклеотиды, пептиды. В индивидуальном нейроне синтезируется, как правило, несколько нейромедиаторов различной химической природы. Кроме нейромедиаторов существует обширный класс соединений - нейромодуляторов, регулирующих уровень синаптической передачи.

Нейрохимические основы памяти

Память - сложный и еще не достаточно изученный процесс, включающий фазы запечатления, хранения и извлечения поступающей информации. Все эти фазы тесно связаны между собой, и нередко их очень трудно разграничить при анализе функций памяти.

Виды биологической памяти: 1. Генетическая;
2. Эпигенетическая; 3. Иммунологическая; 4. Нейрологическая (ее иногда называют психической или индивидуальной). В настоящее время нейрологическую память делят на три этапа:
1. Кратковременная память (длительность от нескольких миллисекунд до нескольких минут). 2. Промежуточный (от нескольких секунд до нескольких часов). 3. Долговременная память (годы, десятилетия и в течение всей жизни).

Нейрологическая память обладает сложной системной организацией и не имеет строгой локализации в определенных участках мозга. По современным представлениям, следы памяти (энграммы) фиксируются в мозге в виде изменений состояния синаптического аппарата, в результате которых возникает предпочтительное проведение возбуждения по определенным нервным путям.

После восприятия информации, в процессе ее запечатления и фиксации, в мозге протекает ряд последовательно сменяющихся нейрохимических процессов. На первых этапах, в стадии кратковременной памяти происходят изменения «быстрых» функций синапса, связанных с выбросом и сдвигом концентрации «классических» и пептидных медиаторов. В дальнейшем, в течение периода от нескольких секунд до нескольких суток происходит вовлечение широкого спектра нейрохимических процессов, включающих изменения в составе и структуре нейроспецифических белков, в частности изменения степени их фосфорилирования, а также модификацию синтеза РНК.

Для формирования пожизненной долговременной памяти необходим постоянный синтез новых биополимеров, который может быть осуществлен в случае устойчивых перестроек в функционировании участков генома. Последние могут происходить в результате либо структурных изменений ДНК, либо образования устойчивых циклов для постоянного синтеза репрессоров или дерепрессоров транскриптонов. Возможно также, что в формировании долговременной памяти принимают участие иммунологические механизмы, благодаря которым в мозге синтезируются антителоподобные соединения, способные в течение длительного времени модифицировать деятельность синапсов в определенных нервных путях. В механизмах формирования памяти принимают участие как «классические» медиаторы, так и большое число нейропептидов, выполняющих функции медиаторов и нейромодуляторов.

Спинномозговая жидкость (ликвор или цереброспинальная жидкость)

Общее количество ликвора у взрослого человека составляет 100-150 мл, у детей 80 - 90 мл. Скорость образования ликвора колеблется в пределах 350-750 мл/сутки. Обновляется ликвор 3 - 7 раз в сутки, чаще всего 3,5 раза.

Распределение ликвора в ликворной системе:

· боковые желудочки - 20-30 мл

· 3 и 4 желудочки - 3-5 мл

· подпаутинное пространство головного мозга - 20-30 мл

· подпаутинное пространство спинного мозга - 50-70 мл

Функции спинномозговой жидкости:

Механическая защита мозга.

Экскреторная функция - выведение метаболитов из мозга.

Транспорт различных биологически активных веществ.

Контроль окружающей среды мозга:

· буферная роль при быстрых изменениях состава крови;

· регуляция оптимальной концентрации ионов и рН для обеспечения нормальной возбудимости ЦНС;

· является специальным защитным иммунобиологическим барьером.

Таблица 32. 1

Состав спинномозговой жидкости

Показатель	Концентрация
Количество Прозрачность Вода Плотный осадок Органические в-ва Белок общий Альбумины Глобулины Глюкоза Неорганические в-ва Натрий Калий Хлориды Кальций	100 - 150 мл Бесцветная, прозрачная 99 % 1% - 10 г/л 2 - 2,4 г/л 0,15 - 0,33 г/л 0,12 - 0,26 г/л 0,03 - 0,06 г/л 2,50 - 4,15 ммоль/л 7,6 - 8,0 г/л 135 - 150 ммоль/л 2,3 - 4,3 ммоль/л 120 - 130 ммоль/л 1,2 - 1,6 ммоль/л

33. Биохимия мышечной ткани

Подвижность является характерным свойством всех форм жизни расхождение хромосом в митотическом аппарате клеток, воздушно-винтовые движения жгутиков бактерий, крыльев птиц, точные движения человеческой руки, мощная работа мышц ног. Все это достигается работой мышц, обеспечивающих подвижность путем сокращения и последующего расслабления.

Принято различать три типа мышечной ткани:

скелетная мускулатура;

сердечная мышца;

гладкая мускулатура.

Существует также деление на:

гладкие мышцы;

поперечно-полосатые мышцы.

К поперечно-полосатым мышцам относятся:

скелетные;

мышцы языка и верхней трети пищевода;

внешние мышцы глазного яблока и некоторые другие.

Гладкая мышечная ткань входит в состав мышц внутренних органов: желудочно-кишечного тракта, бронхов, мочевыводящих путей, кровеносных сосудов.

В морфологическом отношении миокард относится к поперечно-полосатой мускулатуре, но по ряду других признаков он занимает промежуточное положение между гладкими и поперечно-полосатыми мышцами.

Белки мышечной ткани

Выделяют три группы белков:

миофибриллярные белки - 45 %;

саркоплазматические белки - 35 %;

белки стромы - 20 %.

Миофибриллярные белки.

К этой группе относятся:

миозин;

актин;

актомиозин;

а также так называемые регуляторные белки:

тропомиозин;

тропонин;

- и -актин.

II. Саркоплазматические белки. Характеризуются растворимостью в солевых растворах с низкой ионной силой. К числу саркоплазматических белков относятся: дыхательный пигмент миоглобин, разнообразные белки-ферменты (гликолиза, дыхания и окислительного фосфорилирования, азотистого и липидного обмена) и др.

III. Белки стромы. Представлены в основном коллагеном и эластином. Белок миостромин участвует в образовании сарколеммы и линии Z.

Экстрактивные вещества мышц:

адениловые нуклеотиды (АТФ, АДФ, АМФ);

гликоген - запасной источник энергии;

креатин, креатинфосфат - резервный источник ресинтеза АТФ;

свободные аминокислоты;

карнозин, ансерин - специфические азотистые вещества; увеличивают амплитуду мышечного сокращения, сниженную утомлением;

неорганические соли.

Биохимические механизмы сокращения и расслабления мышц

Биохимический цикл мышечного сокращения состоит из 5 стадий:

· 1-2-3 - стадии сокращения;

· 4-5 - стадии расслабления.

1 стадия - в стадии покоя миозиновая «головка» может гидролизовать АТФ до АДФ и Ф_н, но не обеспечивает освобождения продуктов гидролиза. Образуется стабильный комплекс: миозин-АДФ-Ф_н.

2 стадия - возбуждение двигательного нерва приводит к освобождению ионов Са²⁺ из саркоплазматического ритикулума мышечного волокна. Ионы Са²⁺ связываются тропонином С (Тн-С). В результате этого взаимодействия изменяется конформация всей молекулы тропонина, а затем - тропомиозина. Вследствие этого в актине открываются центры связывания с миозином. Миозиновая «головка» связывается с F-актином, образуя с осью фибриллы угол около 90⁰.

3 стадия - присоединение актина к миозину обеспечивает высвобождение АДФ и Ф_н из актин-миозинового комплекса. Это приводит к изменению конформации этого комплекса и угол между актином и миозиновой «головкой» изменяется с 90⁰ до 45⁰. В результате изменения угла филаменты актина втягиваются между филаментами миозина, т. е. происходит их скольжение навстречу друг другу. Укорачиваются саркомеры, сокращаются мышечные волокна.

4 стадия - новая молекула АТФ связывается с комплексом актин-миозин.

5 стадия - комплекс миозин-АТФ обладает низким сродством к актину и поэтому происходит отделение миозиновой «головки» от F-актина. Филаменты возвращаются в исходное состояние, мышца расслабляется. Затем цикл возобновляется.

Н₂О

актин

АТФ-миозин

5 1

актин-миозин-АТФ миозин-АДФ-Ф_н

2

АТФ актин

актин-миозин актин-миозин-АДФ-Ф_н

АДФ, Ф_н

Рис. 33.1 Цикл мышечного сокращения

Движущая сила мышечного сокращения - энергия, освобождающаяся при гидролизе АТФ.

Роль ионов кальция в регуляции мышечного сокращения

Ключевая роль в регуляции мышечного сокращения принадлежит ионам кальция (Са²⁺). Миофибриллы обладают способностью взаимодействовать с АТФ и сокращаться лишь при наличии в среде определенных концентраций ионов кальция. В покоящейся мышце концентрация ионов Са²⁺ поддерживается ниже пороговой величины при участии Са²⁺-зависимой АТФазы. В состоянии покоя эта система активного транспорта накапливает кальций в цистернах саркоплазматического ретикулума и трубочках Т-системы.

Мышечное сокращение инициируется приходом потенциала действия на концевую пластинку двигательного нерва. В синапс выделяется ацетилхолин, который связывается с постсинаптическими рецепторами мышечного волокна. Далее потенциал действия распространяется вдоль сарколеммы к поперечным трубочкам Т-системы и происходит передача сигнала на цистерны саркоплазматического ретикулума. Последние начинают освобождать находящийся в них кальций в саркоплазму. Концентрация Са²⁺ увеличивается с 10^-7 до 10^-5 ммоль/л. Кальций связывается с Тн-С, что вызывает конформационные сдвиги, передающиеся на тропомиозин и далее на актин. Открываются закрытые ранее центры в актине для связывания с миозином. Актин взаимодействует с миозином, что инициирует сокращение мышечного волокна.

После прекращения действия двигательного импульса кальций с помощью Са²⁺-зависимой АТФазы откачивается из цитоплазмы в цистерны саркоплазматического ретикулума. Уход кальция из комплекса с Тн-С приводит к смещению тропомиозина и закрытию активных центров актина. Миозиновая «головка» отсоединяется от актина. Мышца расслабляется.

Кальций является аллостерическим модулятором мышечного сокращения.

Биохимия мышечного утомления

Утомление - состояние организма, возникающее вследствие длительной мышечной нагрузки и характеризующееся временным снижением работоспособности.

Центральная роль в развитии утомления принадлежит нервной системе. В состоянии утомления в нервных клетках снижается концентрация АТФ, нарушается синтез ацетилхолина в синапсах и передача двигательных импульсов к мышце.

Биохимические изменения в работающей мышце при утомлении:

снижение содержания АТФ, креатинфосфата, гликогена;

снижение активности Са²⁺-актомиозиновой АТФазы, что приводит к уменьшению скорости расщепления АТФ в миофибриллах и к уменьшению мощности выполняемой работы;

снижение активности ферментов аэробного окисления субстратов и нарушение сопряжения реакций окисления с синтезом АТФ;

усиление гликолиза, сопровождающееся накоплением молочной кислоты и снижением рН крови (до 7,25 - 7,15);

закисление крови приводит к нарушению гомеостаза, появляются боли в мышцах, тошнота, головокружение;

развитие внутриклеточного метаболического ацидоза и ингибирование ключевых ферментов гликолиза.

Утомление является защитной реакцией организма, предохраняющей его от функционального истощения.

34. Биохимия соединительной ткани

Соединительная ткань составляет около половины от сухой массы тела. Все разновидности соединительной ткани, несмотря на их морфологические различия, построены по общим принципам:

· Содержит мало клеток в сравнении с другими тканями. В результате межклеточный матрикс занимает больше место, чем клетки и имеет сложный химический состав.

· Основные компоненты межклеточного матрикса - структурные белки коллаген и эластин, гликозаминогликаны, протеогликаны, а также неколлагеновые структурные белки (фибронектин, ламинин, тенасцин, остеонектин и др.), которые образуют своеобразные волокнистые структуры.

Коллаген

В межклеточном матриксе молекулы коллагена образуют полимеры, называемые фибриллами коллагена. Они обладают огромной прочностью и практически не растяжимы (они могут выдерживать нагрузку в 10 000 раз превышающую их собственный вес.

Необычные механические свойства коллагена связаны с их первичной и пространственной структурами. Молекулы коллагена состоят из трех полипептидных цепей, называемых -цепями. Идентифицировано более 20 -цепей, большинство из которых имеет в своем составе 1000 аминокислотных остатков, но цепи несколько отличаются аминокислотной последовательностью. В состав коллагенов могут входить три одинаковые или разные цепи.

Первичная структура -цепей коллагена необычна, так как каждая третья аминокислота в полипептидной цепи представлена глицином, около 25% составляют пролин или 4-гидроксипролин, около 10% - аланин. В коллагене отсутствуют такие аминокислоты, как цистеин и триптофан. В составе первичной структуры -цепи коллагена содержится так же необычная аминокислота гидроксилизин.

Катаболизм коллагена. Как и любой белок, коллаген функционирует в организме определенное время. Его относят к медленно обменивающимся белкам, период его полураспада составляет около месяца. Разрушение коллагеновых волокон осуществляется ферментативно и с помощью активных форм кислорода.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 34.1 Этапы формирования коллагенового волокна

Нативный коллаген не гидролизуется обычными пептидогидролазами. Основной фермент его катаболизма - коллагеназа, которая расщепляет пептидные связи в определенных участках спирализованных областей коллагена. В норме она синтезируется клетками соединительной ткани, прежде всего фибробластами и макрофагами. Образующиеся фрагменты коллагена растворимы в воде, при температуре тела они спонтанно денатурируются и становятся доступными для действия других протеолитических ферментов.

Существует ряд заболеваний, связанных с нарушением структуры или синтеза коллагена. Они составляют целую группу заболеваний соединительной ткани, названных коллагенозами. Так как около 50% всех коллагеновых белков содержится в тканях скелета, около 40% - в коже и 10% - в строме внутренних оганов, клиническая картина этих заболеваний будет крайне полиморфной. При многих заболеваниях наблюдаются не только костно-суставная патология или изменения со стороны кожи, но и ярко выраженные висцеральные проявления (поражения кишечника, почек, легких, сердца). К наиболее распространенным и изученным коллагенозам относят несовершенный остеогенез, синдром Элерс-Данлоса, синдром Марфана, а так же цингу.

Эластин

В отличие от коллагена, образующего прочные фибриллы, эластин обладает резиноподобными свойствами. Нити эластина, содержащиеся в тканях легких, в стенках сосудов, в эластичных связках, могут быть растянуты в несколько раз по сравнению с их обычной длиной. Но после снятия нагрузки они возвращаются к свернутой конформации.

Эластин содержит в своем составе около 800 аминокислотных остатков, средии которых преобладают аминокислоты с неполярными радикалами: глицин, валин, аланин. Эластин содержит довольно много пролина и лизина, но лишь немного гидроксипролина и полностью отсутствует гидроксилизин. Наличие большого количества гидрофобных радикалов препятствует созданию стабильной глобулы, в результате полипептидные цепи не формируют регулярные вторичную и третичную структуры, а принимают разные конфигурации. В соединительной ткани молекулы эластина образуют волокна и слои, в которых отдельные пептидные цепи связаны множеством жестких поперечных сшивок в разветвленную сеть. В образовании этих сшивок участвуют остатки лизина двух, трех или четырех пептидных цепей. Структуры, образующиеся при этом, называются десмозинами.

Наличие ковалентных сшивок между пептидными цепочками с неупорядоченной, случайной конформацией позволяет всей сети волокон эластина растягиваться и сжиматься в разных направлениях, придавая соответствующим тканям свойство эластичности.

Следует отметить, что эластин синтезируется как растворимый мономер, который называется «тропоэластин». После образования поперечных сшивок эластин приобретает свою конечную форму, которая характеризуется нерастворимостью, высокой стабильностью и очень низкой скоростью обмена.

Протеогликаны и гликопротеины

Протеогликаны - высокомолекулярные соединения, состоящие из белка (5-10%) и гликозаминогликанов (90-95%). Они образуют основное вещество межклеточного матрикса.

Гликозаминогликаны - гетерополисахариды, состоящие из многократно повторяющихся дисахаридов, мономерами которых являются уроновые кислоты и гексозамины.. Раньше их называли мукополисахаридами, так как они обнаруживались в слизистых секретах. Они связывают большие количества воды, в результате чего межклеточное вещество приобретает желеобразный характер.

Белки в протеогликанах представлены одной полипептидной цепью разной молекулярной массы. Белки протеогликанов называют коровыми или сердцевинными белками. Полисахаридные компоненты у разных протеогликанов разные.

Функции протеогликанов:

· структурные компоненты внеклеточного матрикса;

· обеспечивают тургор различных тканей;

· как полианионы связывают поликатионы и катионы;

· действуют как сита во внеклеточном матриксе (фильтрация в почках);

· влияют на клеточную миграцию;

· противостоят компрессионным силам в межклеточном матриксе;

· поддерживают прозрачность роговицы;

· выполняют структурную роль в склере;

· антикоагулянты;

· формируют рецепторы на поверхности клеток;

· образуют межклеточные контакты;

· входят в состав синаптических и других везикул клеток.

В настоящее время известна структура шести основных классов гликозаминогликанов.

1. Гиалуроновая кислота - находится во многих органах и тканях. В хряще она связана с белком и участвует в образовании протеогликановых агрегатов, в некоторых тканях (стекловидное тело, пупочный канатик, суставная жидкость) встречается в свободном виде. Повторяющаяся дисахаридная единица в гиалуроновой кислоте состоит из D-глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкозамина.

2. Хондроитинсульфаты - самые распространенные гликозаминогликаны в организме человека. Они содержатся в хряще, сухожилиях, связках, артериях, роговице глаза. Хондроитинсульфаты являются важным составным компонентом агрекана - основного протеогликана хрящевого матрикса. В организме человека встречаются 2 вида хондроитинсульфатов: хондроитин-4-сульфат и хондроитин-6-сульфат. Они построены одинаковым образом: из D-глюкуроновой кислоты и N-ацетил-D-галактозамин-4-сульфата или N-ацетил-D-галактозамин-6-сульфата соответственно.

3. Кератансульфаты - наиболее гетерогенные гликозаминогликаны. Отличаются друг от друга по суммарному содержанию углеводов и распределению в разных тканях. Они содержат остаток галактозы и N-ацетил-D-галактозамин-6-сульфат. Входят в состав роговицы глаза, хрящей, межпозвоночных дисков.

4. Дерматансульфат - характерен для кожи, кровеносных сосудов, сердечных клапанов, менисков, межпозвоночных дисков. Повторяющаяся дисахаридная единица - L-идуроновая кислота и N-ацетил-D-галактозамин-4-сульфат.