Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия

Подождите немного. Документ загружается.

Затем оба изомерных изопентенилпирофосфата (диметилаллилпирофос-

фат и изопентенилпирофосфат) конденсируются с высвобождением пи-

рофосфата и образованием геранилпирофосфата:

К геранилпирофосфату вновь присоединяется изопентенилпирофосфат.

В результате этой реакции образуется фарнезилпирофосфат:

В заключительной реакции данной стадии в результате НАДФН-за-

висимой восстановительной конденсации 2 молекул фарнезилпирофосфата

образуется сквален:

На III стадии биосинтеза холестерина сквален под влиянием сквален-

оксидоциклазы циклизируется с образованием ланостерина. Дальнейший

процесс превращения ланостерина в холестерин включает ряд реакций,

сопровождающихся удалением трех метильных групп, насыщением двой-

ной связи в боковой цепи и перемещением двойной связи в кольце В из

положения 8, 9 в положение 5, 6 (детально эти последние реакции еще не

изучены):

401

Геранилпирофосфат

Фарнезилпирофосфат (С

)

Сквален (С

)

Ланостерин(С

)

Холестерин (С

)

Приводим общую схему синтеза холестерина:

Начиная со сквалена, все промежуточные продукты биосинтеза холесте-

рина (включая и холестерин) нерастворимы в водной среде. Поэтому они

участвуют в конечных реакциях биосинтеза холестерина, будучи связан-

ными со стеринпереносящими белками (СПБ). Это обеспечивает их

растворимость в цитозоле клетки и протекание соответствующих реакций.

Данный факт имеет важное значение и для вхождения холестерина в кле-

точные мембраны, окисления в желчные кислоты, превращения в сте-

роидные гормоны. Как отмечалось, реакцией, регулирующей скорость

биосинтеза холестерина в целом, является восстановление β-гидрокси-β-

метилглутарил-КоА в мевалоновую кислоту, катализируемое ГМГ-КоА-

редуктазой. Данный фермент испытывает регуляторное воздействие ряда

402

Ацетил-КоА Ацетил-КоА

HS-КoA

Ацетоацетил-КоА

β-Гидронси-β-метилглутарил-КоА

Холестерин

(С

)

Ланостерин

(С

)

Сквален

(С

)

Фарнезилпирофосфат

(С

)

Мевалонат

5 -Фосфомевалонат

5 -Пирофосфомевалонат

Изопентениллирофосфат

(С

)

Диметилаллилпирофосфат

(С

)

Фарнезилпирофосфат

)

Геранилпирофосфат

(С

)

Изопентенилпирофосфат

(С

)

3 -Фосфо-5-пирофосфомевалонат

HS-КoA

2НАДФН + 2Н

2НАДФ

HS-КoA

АТФ

АДФ

АТФ

АДФ

АТФ

АДФ

СО

НАДФН

НАДФ

2PP

НАДФН + Н

НАДФ

факторов. В частности, скорость синтеза редуктазы в печени подвержена

четким суточным колебаниям: максимум ее приходится на полночь, а ми-

нимум – на утренние часы.

Активность ГМГ-редуктазы возрастает при введении инсулина и тире-

оидных гормонов. Это приводит к усилению синтеза холестерина и повы-

шению его уровня в крови.

При голодании, тиреоидэктомии, введение глюкагона и глюкокорти-

коидов, напротив, отмечается угнетение синтеза холестерина, что прежде

всего связано со снижением активности ГМГ-КоА-редуктазы.

РЕГУЛЯЦИЯ ЛИПИДНОГО ОБМЕНА

Обмен липидов регулируется ЦНС. Кора большого мозга оказывает

трофическое влияние на жировую ткань либо через нижележащие отделы

ЦНС – симпатическую и парасимпатическую системы, либо через эндо-

кринные железы. В настоящее время установлен ряд биохимических меха-

низмов, лежащих в основе действия гормонов на липидный обмен.

Известно, что длительный отрицательный эмоциональный стресс, со-

провождающийся увеличением выброса катехоламинов в кровяное русло,

может вызвать заметное похудание. Уместно напомнить, что жировая

ткань обильно иннервируется волокнами симпатической нервной системы,

возбуждение этих волокон сопровождается выделением норадреналина

непосредственно в жировую ткань. Адреналин и норадреналин увеличивают

скорость липолиза в жировой ткани; в результате усиливается мобилизация

жирных кислот из жировых депо и повышается содержание неэстерифи-

цированных жирных кислот в плазме крови. Как отмечалось, тканевые

липазы (триглицеридлипаза) существуют в двух взаимопревращающихся

формах, одна из которых фосфорилирована и каталитически активна,

а другая – нефосфорилирована и неактивна. Адреналин стимулирует через

аденилатциклазу синтез цАМФ. В свою очередь цАМФ активирует соот-

ветствующую протеинкиназу, которая способствует фосфорилированию

липазы, т.е. образованию ее активной формы. Следует заметить, что

действие глюкагона на липолитическую систему сходно с действием кате-

холаминов.

Не подлежит сомнению, что секрет передней доли гипофиза, в частности

соматотропный гормон, оказывает влияние на липидный обмен. Гипо-

функция железы приводит к отложению жира в организме, наступает

гипофизарное ожирение. Напротив, повышенная продукция СТГ стиму-

лирует липолиз, и содержание жирных кислот в плазме крови увели-

чивается. Доказано, что стимуляция липолиза СТГ блокируется инги-

биторами синтеза мРНК. Кроме того, известно, что действие СТГ на

липолиз характеризуется наличием лаг-фазы продолжительностью около

1 ч, тогда как адреналин стимулирует липолиз почти мгновенно. Иными

словами, можно считать, что первичное действие этих двух типов гормонов

на липолиз проявляется различными путями. Адреналин стимулирует

активность аденилатциклазы, а СТГ индуцирует синтез данного фермента.

Конкретный механизм, с помощью которого СТГ избирательно увеличи-

вает синтез аденилатциклазы, пока неизвестен.

Инсулин оказывает противоположное адреналину и глюкагону действие

на липолиз и мобилизацию жирных кислот. Недавно было показано, что

инсулин стимулирует фосфодиэстеразную активность в жировой ткани.

Фосфодиэстераза играет важную роль в поддержании постоянного уровня

цАМФ в тканях, поэтому увеличение содержания инсулина должно повы-

403

шать активность фосфодиэстеразы, что в свою очередь приводит к умень-

шению концентрации цАМФ в клетке, а следовательно, и к образованию

активной формы липазы.

Несомненно, и другие гормоны, в частности тироксин, половые гормо-

ны, также оказывают влияние на липидный обмен. Например, известно, что

удаление половых желез (кастрация) вызывает у животных избыточное

отложение жира. Однако сведения, которыми мы располагаем, не дают

пока основания с уверенностью говорить о конкретном механизме их

действия на обмен липидов. В табл. 11.2 приведены сводные данные

о влиянии ряда факторов на мобилизацию жирных кислот из жировых депо.

Таблица 11.2. Влияние некоторых факторов на мобилизацию жирных кислот из

жировой ткани (по А.Н. Климову и др., 1978)

Фактор

Катехоламины, глюкагон,

тироксин, глюкокортикоиды

СТГ, АКТГ

Простагландины

Инсулин

Стресс, физическая нагрузка,

голодание, охлаждение

Характер

влияния

Усиление

Угнетение

Усиление

Предполагаемый механизм действия

Активация аденилатциклазы

Усиление синтеза аденилатциклазы

и гормоночувствительной липазы

Ослабление действия катехоламинов

на аденилатциклазу, угнетение

аденилатциклазы

Торможение освобождения жирных

кислот в результате активации гли-

колиза в жировой ткани; активация

фосфодиэстеразы цАМФ

Стимуляция секреции катехоламинов

и угнетение секреции инсулина

НАРУШЕНИЯ ЛИПИДНОГО ОБМЕНА

Нарушение процессов всасывания жиров. Нарушения липидного обмена

возможны уже в процессе переваривания и всасывания жиров. Одна группа

расстройств связана с недостаточным поступлением панкреатической ли-

пазы в кишечник, вторая обусловлена нарушением поступления в кишечник

желчи. Кроме того, нарушения процессов переваривания и всасывания

липидов могут быть связаны с заболеваниями пищеварительного тракта

(при энтеритах, гиповитаминозах и некоторых других патологических

состояниях). Образовавшиеся в полости кишечника моноглицериды и жир-

ные кислоты не могут нормально всасываться вследствие повреждения

эпителиального покрова кишечника. Во всех этих случаях кал содержит

много нерасщепленного жира или невсосавшихся высших жирных кислот

и имеет характерный серовато-белый цвет.

Нарушение процессов перехода жира из крови в ткань. При недостаточной

активности липопротеинлипазы крови нарушается переход жирных кислот

из хиломикронов (ХМ) плазмы крови в жировые депо (не расщепляются

триглицериды). Чаще это наследственное заболевание, обусловленное пол-

ным отсутствием активности липопротеинлипазы. Плазма крови при этом

404

имеет молочный цвет в результате чрезвычайно высокого содержания ХМ.

Наиболее эффективным лечением этого заболевания является замена при-

родных жиров, содержащих жирные кислоты с 16–18 углеродными ато-

мами, синтетическими, в состав которых входят короткоцепочечные жир-

ные кислоты с 8–10 углеродными атомами. Эти жирные кислоты способны

всасываться из кишечника непосредственно в кровь без предварительного

образования ХМ.

Кетонемия и кетонурия. В крови здорового человека кетоновые (аце-

тоновые) тела содержатся в очень небольших концентрациях. Однако при

голодании, а также у лиц с тяжелой формой сахарного диабета содержание

кетоновых тел в крови может повышаться до 20 ммоль/л. Это состояние

носит название кетонемии; оно обычно сопровождается резким увели-

чением содержания кетоновых тел в моче (кетонурия). Например, если

в норме за сутки с мочой выводится около 40 мг кетоновых тел, то при

сахарном диабете содержание их в суточной порции мочи может доходить

до 50 г и более.

В настоящее время явления кетонемии и кетонурии при сахарном

диабете или голодании можно объяснить следующим образом. И диабет,

и голодание сопровождаются резким сокращением запасов гликогена в пе-

чени. Многие ткани и органы, в частности мышечная ткань, находятся

в состоянии энергетического голода (при недостатке инсулина глюкоза не

может с достаточной скоростью поступать в клетку). В этой ситуации

благодаря возбуждению метаболических центров в ЦНС импульсами с хе-

морецепторов клеток, испытывающих энергетический голод, резко уси-

ливаются липолиз и мобилизация большого количества жирных кислот из

жировых депо в печень. В печени происходит интенсивное образование

кетоновых тел. Образующиеся в необычно большом количестве кетоновые

тела (ацетоуксусная и β-гидроксимасляная кислоты) с током крови транс-

портируются из печени к периферическим тканям. Периферические ткани

при диабете и голодании сохраняют способность использовать кетоновые

тела в качестве энергетического материала, однако ввиду необычно высокой

концентрации кетоновых тел в притекающей крови мышцы и другие органы

не справляются с их окислением и как следствие возникает кетонемия.

Атеросклероз и липопротеины. В настоящее время доказана ведущая роль

определенных классов липопротеинов в патогенезе атеросклероза. Извест-

ное положение акад. Н.Н. Аничкова «без холестерина нет атеросклероза»

с учетом современных знаний можно выразить иначе: «без атерогенных

липопротеинов не может быть атеросклероза».

Напомним, что плазменные липопротеины * – это сложные комплексные

соединения, в состав которых, кроме белка, входит липидный компонент.

Плазменные липопротеины имеют характерное строение: внутри липопро-

теиновой частицы находится жировая капля (ядро), содержащая неполяр-

ные липиды (триглицериды, этерифицированный холестерин). Жировая

капля окружена оболочкой, в состав которой входят фосфолипиды, белок

и свободный холестерин. Толщина этой оболочки составляет 2,0–2,5 нм,

что соответствует половине толщины фосфолипидного бислоя клеточной

мембраны.

Различают несколько классов липопротеинов: α-липопротеины, или

липопротеины высокой плотности (ЛПВП); β-липопротеины, или липо-

* Помимо плазменных липопротеинов, в организме существуют мембранные липо-

протеины, которые имеют несколько иное строение.

405

протеины низкой плотности (ЛПНП); пре-β-липопротеины, или липопро-

теины очень низкой плотности (ЛПОНП); хиломикроны (ХМ).

Установлено, что атеросклероз и связанные с ним заболевания про-

текают при значительном повышении содержания в плазме крови фракции

ЛПНП, а во многих случаях и фракции ЛПОНП (подробнее см. главу 17).

Исследования последних 5 лет показали, что сами по себе нативные

ЛПНП и ЛПОНП аллергенностью не обладают. Атерогенность у этих

классов липопротеинов появляется только тогда, когда их частицы под-

вергнутся химическому изменению и прежде всего перекисному окислению.

При этом сначала в их составе образуются такие продукты перекисного

окисления липидов, как диеновые и триеновые конъюгаты, гидроперекиси,

малоновый диальдегид и др., а затем уже происходит взаимодействие

с белковыми компонентами – аполипопротеинами. Образуются химически

измененные липопротеины, которые стали называть перекисно модифи-

цированными.

Перекисная модификация липопротеинов может в определенной степени

протекать в кровяном русле, но главным местом их образования является

артериальная стенка.

Перекисно модифицированные ЛПНП, образовавшись в артериальной

стенке, быстро и бесконтрольно захватываются здесь макрофагами. Иногда

модифицированные изменения липопротеинов заходят настолько глубоко,

что липопротеины приобретают аутоантигенные свойства, к ним выра-

батываются антитела и в конечном счете образуются аутоиммунные комп-

лексы липопротеины–антитела. Последние также обладают высокой ате-

рогенностью и бесконтрольно захватываются артериальными макрофа-

гами. Макрофаги, захватившие модифицированные липопротеины или

иммунные комплексы (липопротеин–антитело), накапливают в цитоплазме

чрезвычайно высокие концентрации эстерифицированного и свободного

холестерина (в них нет энзимов, которые расщепляли бы холестерин)

и трансформируются в так называемые пенистые клетки. Последние в ре-

зультате цитотоксического действия высоких концентраций холестерина

погибают, при их разрушении во внутреннюю оболочку артерий изливается

ими же накопленный холестерин. Поэтому пенистая клетка рассматри-

вается как главная «виновница» атеросклеротического процесса на мор-

фологическом уровне.

Последующие события: пролиферация гладких мышечных клеток, син-

тез ими коллагена и эластина – направлены на изоляцию холестериновых

отложений путем образования соединительнотканной (фиброзной) капсулы.

Так в упрощенном виде можно представить образование фиброзной бляш-

ки – основного элемента атеросклеротического поражения артерий.

В отличие от липопротеинов низкой и очень низкой плотности ЛПВП рас-

сматриваются как антиатерогенные. Они осуществляют «обратный» транс-

порт холестерина – от периферических тканей в печень, где холестерин окис-

ляется в желчные кислоты. Кроме того, ЛПВП обладают еще одним важ-

ным свойством: они задерживают перекисную модификацию липопротеинов

низкой и очень низкой плотности (А.Н. Климов). Поэтому чем выше

уровень ЛПВП в крови, тем меньше вероятность развития атеросклероза.

липосомы

Липосомы – искусственно создаваемые липидные везикулы (пузырьки),

состоящие из одного или нескольких фосфолипидных бислоев, разделенных

водной фазой. Диаметр липосом может калебаться от 25 до 10000 нм.

406

Рис. 11.8. Модель многослойной

липосомы с инкапсулированными

водо- и жирорастворимыми препа-

ратами (по Грегориадису).

1 - молекулы, растворимые в водном

слое; 2 - молекулы, растворимые в ли-

пидном слое; 3 - молекулы, раствори-

мые в водном слое с гидрофобными

радикалами, проникающими в липид-

ный слой.

Обычно липосомы получают путем встряхивания или обработки ультра-

звуком водных суспензий фосфолипидов. Липосомы могут быть сформи-

рованы из индивидуальных фосфолипидов, как природных, так и синте-

тических, а также из смеси фосфолипидов.

Вначале липосомы использовали только как модели биологических

мембран. В дальнейшем было установлено, что их можно применять как

микроконтейнеры, которые способны доставлять разнообразные лекарст-

венные препараты в различные органы и ткани. В липосомы могут быть

заключены ферменты, гормоны, витамины, антибиотики, цитостатики,

циклические нуклеотиды и т.д.

На рис. 11.8 представлена модель многослойной липосомы, а также

показано распределение водо- и жирорастворимых препаратов, инкапсу-

лированных в липосоме.

Использование комплексов липосома–препарат имеет ряд преимуществ

перед применением только препаратов: липосомы позволяют доставлять

в клетки вещества, которые в отсутствие липосом в них не проникают;

присоединение к липосомам соответствующих антител (векторов) может

обеспечить доставку веществ в клетки-мишени; препарат, инкапсулирован-

ный в липосомы, обеспечивает большой терапевтический эффект (время

действия увеличивается, при этом доза его может быть значительно

снижена); липосомы могут эффективно использоваться как адъюванты, т.е.

вещества, стимулирующие иммунологические реакции. Предполагают, что

существует по крайней мере 2 пути проникновения липосом в клетку.

Первый заключается в том, что вследствие эндоцитоза липосома захва-

тывается клеткой и образуется вакуоль, которая сливается с лизосомами.

Фосфолипазы лизосом гидролизуют фосфолипиды мембраны лизосом,

обеспечивая выход препарата в цитоплазму клетки. Если липосома состоит

из нескольких липидных мембран, то постепенный гидролиз их обеспе-

407

чивает медленное поступление препарата в клетку. Второй путь – это когда

липосомы сливаются с клеточной мембраной, при этом липидный компо-

нент липосомы встраивается в мембрану клетки, а водорастворимый

препарат проникает в цитоплазму. Таким образом, в обоих случаях

вещество, инкапсулированное в липосоме, попадает в клетки несмотря на

мембранный барьер.

В экспериментах на животных показано, что при внутривенном, внутри-

мышечном и внутрибрюшинном введении липосомы довольно быстро

покидают кровяное русло, так как захватываются клетками системы макро-

фагов, в первую очередь клетками печени и селезенки. Другие органы

и ткани поглощают некоторое количество введенных липосом, однако их

доля невелика. В настоящее время ведется поиск новых систем (подходов)

направленного транспорта лекарственных веществ в организм с помощью

липосом.

Глава 12

ОБМЕН ПРОСТЫХ БЕЛКОВ

Обмен белков занимает особое место в многообразных превращениях

веществ, характерных для всех живых организмов. Выполняя ряд уни-

кальных функций, свойственных живой материи, белки определяют не

только микро- и макроструктуру отдельных субклеточных образований,

специфику организации клеток, органов и целостного организма (пласти-

ческая функция), но и в значительной степени динамическое состояние

между организмом и окружающей его средой. Белковый обмен строго

специфичен, направлен и настроен, обеспечивая непрерывность воспроиз-

водства и обновления белков организма. В течение всей жизнедеятельности

в организме постоянно и с высокой скоростью совершаются два про-

тивоположных процесса: распад, расщепление органических макромоле-

кул и надмолекулярных структур и синтез этих соединений. Эти процессы

обеспечивают катаболические реакции и создание сложной структурной

организации живого из хаоса веществ окружающей среды, причем ведущую

роль в последнем случае играют именно белки. Все остальные виды обмена

подчинены этой глобальной задаче живого – самовоспроизведению себе

подобных путем программированного синтеза специфических белков. Для

осуществления этого используются энергия обмена углеводов и липидов,

строительный материал в виде углеродных остатков аминокислот, про-

межуточных продуктов метаболизма углеводов и др.

Белки способны также выполнять энергетическую функцию, особенно

при избыточном их поступлении с пищей или в экстремальных ситуациях,

когда белки тела подвергаются усиленному распаду, восполняя недостаток

питательных веществ, например при голодании или патологии (сахарный

диабет). Как известно, при сгорании 1 г белков освобождается энергия,

равная 16,8 кДж. Эта энергия обычно может быть полностью заменена

энергией окисления углеводов и липидов, однако при длительном исклю-

чении последних из пищи у животных не наблюдается существенных

патологических отклонений, тогда как исключение белков из пищи даже на

короткий срок приводит к выраженным нарушениям, а иногда и к не-

обратимым патологическим явлениям. Если животные находятся на мало-

белковой диете, то у них очень быстро развивается белковая недоста-

точность – патологическое состояние, характеризующееся нарушением ряда

важных физиологических функций организма. Аналогичные изменения

наблюдаются у людей при недостаточном потреблении белка. Следо-

вательно, белки являются незаменимыми для организма веществами, вы-

полняющими прежде всего пластическую функцию. Специфическая роль

белков, однако, этим не ограничивается. В опытах на крысах было по-

казано, что белковая недостаточность у животных проявляется не столько

в уменьшении массы органов и тканей, сколько в снижении активности

ферментов, обусловленном замедлением процессов биосинтеза белка.

Таким образом, помимо пластической роли, белки выполняют уни-

409

кальную каталитическую функцию, хотя, как было отмечено, некоторые

РНК также наделены энзиматической активностью. Следует указать также,

что белки (соответственно и продукты их гидролиза аминокислоты) при-

нимают непосредственное участие в биосинтезе ряда гормонов и других

биологически активных соединений, регулирующих процессы обмена ве-

ществ в организме. Следовательно, именно белковый обмен координирует,

регулирует и интегрирует многообразие химических превращений в це-

лостном живом организме, подчиняя его задачам сохранения вида и обес-

печивая тем самым непрерывность жизни.

Характерной особенностью белкового обмена является его чрезвы-

чайная разветвленность. Достаточно указать, что в обмене 20 аминокислот,

входящих в состав белковых молекул, в организме животных участвуют

сотни промежуточных метаболитов, тесно связанных с обменом углеводов

и липидов. Число ферментов, катализирующих химические реакции азо-

тистого обмена, также исчисляется сотнями. Следует добавить, что бло-

кирование одного какого-либо специфического пути обмена даже одной

аминокислоты, обычно наблюдаемое при врожденных пороках обмена,

может привести к образованию совершенно неизвестных продуктов обмена,

так как возникают условия для неспецифических превращений всех пред-

шествующих компонентов в данной цепи реакций. Отсюда становятся

понятными трудности интерпретации данных о регуляции процессов азо-

тистого обмена в норме и особенно при патологии. Этими обстоятельства-

ми можно объяснить исключительную перспективность изучения обмена

белков с целью выяснения особенностей их катаболизма и синтеза, ов-

ладение тонкими молекулярными механизмами которых, несомненно, даст

в руки исследователя ключ к пониманию развития и течения патологи-

ческих процессов и соответственно к целенаправленному воздействию на

многие процессы жизни.

ДИНАМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ БЕЛКОВ ОРГАНИЗМА

Кажущаяся стабильность химического состава целостного организма яв-

ляется результатом существования определенного равновесия между ско-

ростями синтеза и распада его составляющих. Внедрение в биохимическую

и клиническую практику метода меченых атомов позволило доказать, что

белки нужны не только растущему, но и сформировавшемуся организму,

когда его рост прекратился, т.е. имеются доказательства существования

в организме механизма постоянного обновления химических составных

частей тела. При нормальных физиологических условиях, как и при па-

тологических состояниях, скорости синтеза и распада специфических ве-

ществ определяются, помимо нервно-гормонального влияния, химической

природой веществ и внутриклеточной их локализацией. В растущем ор-

ганизме скорость синтеза многих компонентов органов и тканей пре-

обладает над скоростью их распада. Тяжелые изнуряющие болезни, а также

голодание, напротив, характеризуются преобладанием скорости катабо-

лизма над скоростью синтеза. Почти все белки тела, включая структурные

белки, гемоглобин, белки плазмы и других биологических жидкостей

организма, также подвергаются постепенному распаду и синтезу. На-

пример, более половины белков печени, сыворотки крови и слизистой

оболочки кишечника подвергается распаду и ресинтезу в течение 10 дней.

Медленнее обновляются белки мышц, кожи и мозга.

Введенные в организм меченые аминокислоты быстро включаются

в белки тканей. Активный ресинтез белков происходит даже в период

410