Материал: 11 занятие бх
1. Кровь как жидкая ткань организма. Основные биохимические функции крови.
Кровь – жидкая ткань, циркулирующая в кровеносной системе и обеспечивающая жизнедеятельность клеток и тканей организма в качестве органа и физиологической системы.
Она состоит из плазмы (55–60%) и взвешенных в ней форменных элементов: эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов и других веществ (40–45%) и имеет слабощелочную реакцию (7,36 рН).
Функции крови:
Основная функция крови - это транспорт веществ и тепловой энергии.
Дыхательная функция. Кровь переносит газы: кислород от легких к органам и тканям, а обратно углекислый газ.
Трофическая и выделительная функция. Кровь доставляет органам и тканям питательные вещества, забирая от них продукты их метаболизма.
Коммуникативная функция. Кровь переносит гомоны от места их синтеза к органам-мишеням.
Кровь транспортирует по организму воду и ионы.
Терморегуляторная функция. Кровь перераспределяет в организме тепловую энергию.
Кровь содержит различные буферные системы, которые участвую в поддержании кислотно-основного равновесия.
Кровь, с помощью неспецифического и специфического иммунитета, защищает организм от внешних и внутренних вредных факторов.
В результате выполнения перечисленных функций, кровь обеспечивает поддержание в организме гомеостаза.
2. Особенности обмена веществ в эритроцитах.
Анаэробный окислительный распад глюкозы в эритроцитах, его биороль.
В анаэробном процессе ПВК в-ся до лактата. Лактат далее ни во что не превращается, единственная возможность утилизовать лактат – это ок-ть его обратно в пируват.
Многие клетки организма способны к анаэробному окислению глюкозы. Для эритроцитов он является единственным (хз) источником энергии. Бескислородное окисление глюкозы в клетках усиливается при гипоксии – при различного рода анемиях, при нарушении кровообращения в тканях независимо от причины.
Процесс идет без исп-я О2 и поэтому не зависит от работы митохондриальной дыхательной цепи.
В цитозоле протекают все 10 реакций, идентичных аэробному гликолизу.
11 реакция является специфической для анаэробного гликолиза, где происходит восстановление ПВК (акцептор водорода) НАДН2 до лактата.
Гл. →Гл-6-ф.→Фр-6-ф.→Фр-1,6-диф→Глицеральдегидфосфат→1,3-дифосфоглицерат→3-ФГ→2-ФГ→ФЭП→ПВК→Лактат
Биороль: единственный процесс в организме, продуцирующий энергию без О2 (важно при гипоксии), быстрый короткий процесс, возможен во всех клетках и тканях. Наиболее интенсивно протекает в эритроцитах (нет митохондрий), мышцах (бег до 200 м), опухолевых клетках
Пентозофосфатный путь распада глюкозы в эритроцитах, его биороль.
Этот путь окисления глюкозы не связан с образованием энергии, а обеспечивает анаболизм клеток.
1 этап окислительный:
Гл-6-ф→6-фосфоглюконолактон→6-фофсфоглюконовая к-та→Рибулозо-5-ф.
2 этап: структурных перестроек
Таким образом, три молекулы пентозофосфатов в рез-те р-ций неок-ной стадии превращаются в 2 мол-лы фр-6-ф. и 1 мол-лу глицеральдегид-3-фосфата. Фр-6-ф. может изомеризоваться в гл-6-ф., а глицеральдегид-3-фосфат может подвергаться ок-ю в гликолизе или изомеризоваться в дигидроксиацетонфосфат. Последний вместе с другой молекулой глицеральдегид-3-фосфата может образовывать фр-1,6-диф., который также способен переходить в гл-6-ф.
Биороль: является главным источником НАДФН для синтеза жирных кислот, холестерола, стероидных гормонов, микросомального окисления; в эритроцитах НАДФН используется для восстановления глутатиона – вещества, препятствующего пероксидному гемолизу;
Он является главным источником пентоз для синтеза нуклеотидов, нуклеиновых кислот, коферментов (АТФ, НАД, НАДФ, КоА-SН и др.).
Образование и обезвреживание АФК в эритроцитах
↑ сод-е О2 в эритроцитах является причиной обр-я большого кол-ва АФК. Постоянным источником АФК в эритроцитах является неферментативное окисление гемоглобина в метгемоглобин
Также СРО(свободнорадикальное ок-е) в эритроците стимулируют различные окислители - нитраты, сульфаниламиды, противомалярийное лекарство примахин.
Образующиеся АФК запускают реакции СРО, которые приводят к разрушению липидов, белков, углеводов и др. органических молекул и являются причиной старения и гемолиза эритроцита.
Для сдерживания СРО в эритроците функционирует ферментативная антиоксидантная система. Для ее работы необходим глутатион и НАДФН2.
Супероксиддисмутаза (Cu2+ иZn2+) превращает супероксидные анионы в перекись водорода: 2О∙2 + 2H+ → H2O2+ O2
Каталаза- геминовый фермент, разрушает перекись водорода до воды и кислорода
Глутатионпероксидаза при окислении глутатиона разрушает перекись водорода и гидроперекиси липидов до воды:
Глутатионредуктаза восстанавливает окисленный глутатион с участием НАДФН2:
Недостаток глутатиона и НАДФН2 в эритроцитах приводит к снижению антиоксидантной активности, активации перекисного окисления липидов и может стать причиной гемолитической анемии. Различные окислители - нитраты, сульфаниламиды, противомалярийное лекарство примахин, усиливают гемолиз эритроцитов.
Дефицит глутатиона может быть обусловлен действием токсических веществ, например ионами тяжелых металлов или наследственным недостатком глутатионредуктазы.
Дефицит НАДФН2 возникает при наследственной недостаточности (аутосомно-рецессивный тип) первого фермента ПФП гл–6–ф.дегидрогеназы. Не менее 100 млн человек являются носителями около 3000 генетических дефектов гл-6-ф.дегидрогеназы.
3. Строение гемоглобина, его биороль. Полиморфные формы гемоглобинов человека.
Гемоглобин является сложным белком, хромопротеидом, состоящим из белка (глобина) и простетической группы — гема. Одна молекула гемоглобина содержит 4 гема. Гем представляет собой комплекс закисного железа с протопорфирином — сложным органическим соединением, принадлежащим очень важному классу веществ — порфиринам. Гемоблобины выполняют 2 важные функции:
перенос О2 из лёгких к периферическим тканям;
участие в переносе СО2 и протонов из периферических тканей в лёгкие для последующего выведения из организма.
Таким образом, олигомерный белок гемоглобин, в отличие от мономерного родственного белка миоглобина, способен присоединять к специфическим участкам 4 различных лиган-да: О2, Н+, СО2 и дифосфоглицерат. Все эти лиганды присоединяются к пространственно разобщённым участкам, но конформационные изменения белка в месте присоединения одного лиганда передаются на весь олигомерный белок и изменяют сродство к нему других лигандов. Так, количество поступающего в ткани О2 зависит не только от парциального давления О2, но и концентрации аллостерических лигандов, что увеличивает возможность регуляции функций гемоглобина.
Гемоглобины взрослого человека
В эритроцитах взрослого человека гемоглобин составляет 90% от всех белков данной клетки.
Гемоглобин А -основной гемоглобин взрослого организма, составляет около 98% от общего количества гемоглобина, тетрамер, состоит из 2 полипептидных цепей α и 2 β (2α2β).
Гемоглобин A2 находится в организме взрослого человека в меньшей концентрации, на его долю приходится около 2% общего гемоглобина. Он состоит из 2 α- и 2 δ-цепей.
Гемоглобин А1с - гемоглобин А, модифицированный ковалентным присоединением к нему глюкозы (так называемый гликозилированный гемоглобин).
Гемоглобины, синтезирующиеся в период внутриутробного развития плода:
Эмбриональный гемоглобин синтезируется в эмбриональном желточном мешке через несколько недель после оплодотворения. Представляет собой тетрамер 2α2ε. Через 2 нед после формирования печени плода в ней начинает синтезироваться гемоглобин F, который к 6 мес замещает эмбриональный гемоглобин.
Гемоглобин F- фетальный гемоглобин, синтезируется в печени и костном мозге плода до периода его рождения. Имеет тетрамерную структуру, состоящую из 2 α- и 2 γ-цепей. После рождения ребёнка постепенно замещается на гемоглобин А, который начинает синтезироваться в клетках костного мозга уже на 8-м месяце развития плода.
4. Синтез гема, образование гемоглобина, регуляция этих процессов.
Строение и синтез гема
Гем – структура, включающая в себя порфириновое кольцо (состоящее из 4 пиррольных колец) и иона Fe2+. Железо связывается с порфириновым кольцом двумя координационными и двумя ковалентными связями.
Синтез гема в основном идет в предшественниках эритроцитов, в клетках печени, почек, слизистой кишечника и в остальных тканях. Первая реакция синтеза с участием δ-аминолевулинат-синтазы (греч. δ - "дельта") происходит в митохондриях. Следующая реакция при участии аминолевулинатдегидратазы (порфобилиноген-синтазы) протекает в цитозоле, здесь из двух молекул δ‑аминолевулиновой кислоты образуется циклический порфобилиноген (монопиррол).
После синтеза порфобилиногена четыре его молекулы конденсируются в гидроксиметилбилан, который далее превращается в уропорфириноген типа I и уропорфириноген типа III. В синтезе обоих видов порфиринов принимает участие уропорфириноген I-синтаза, в образовании уропорфириногена III дополнительно принимает участие фермент уропорфириноген III-косинтаза.
Судьба обоих типов уропорфириногена двояка: они могут окисляться до уропорфирина или декарбоксилироваться до копропорфириногена соответствующего типа.
Копропорфириноген III возвращается в митохондрии и окисляется в протопорфириноген IX и далее в протопорфирин IX. Последний после связывания с железом образует гем, реакцию катализирует феррохелатаза (гемсинтаза).
Регуляция синтеза гема
Основным регуляторным ферментом синтеза гема является аминолевулинатсинтаза.
1. Гем напрямую оказывает отрицательный аллостерический эффект на фермент, влияет на транскрипцию фермента.
2. Ионы железа. Их достаточное количество оказывает положительный эффект при синтезе молекулы аминолевулинатсинтазы.
3. Положительным модулятором аминолевулинатсинтазы служит внутриклеточная гипоксия, которая в эритропоэтических тканях индуцирует синтез фермента.
4. В печени повышению активности аминолевулинатсинтазы способствуют различные соединения, усиливающие работу микросомальной системы окисления (жирорастворимые вещества, стероиды).
Синтез гемоглобина и его регуляция
Синтез цепей глобина осуществляется на полирибосомах и контролируется генами 11-й и 16-й хромосом., затем он соединяется с гемом.
Гем регулирует синтез глобина: при снижении скорости синтеза гема синтез глобина в ретикулоцитах тормозится.
Гем по принципу отрицательной обратной связи ингибирует 5-аминолевулинатсинтазу и 5-аминолевулинатдегидратазу и является индуктором трансляции α- и β-цепей гемо глобина.
5. 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 α- или β-цепи незначительные изменения. Некоторые из них практически не влияют на функции белка и здоровье человека, другие – вызывают значительные нарушения функции HbAи 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.
Серповидноклеточная анемия. Наследственное заболевание, связанное с заменой глутаминовой кислоты в 6-м положении (сN-конца) на валин в β-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.
ГемоглобинМ – в результате мутации в гене происходит замена в α- или β-цепи гистидина (в 7-м или 8-м положении) на тирозин. В результате этогоFe2+окисляется вFe3+и образуется метгемоглобин, не способный связывать кислород. Развивается цианоз и гипоксия тканей.
Талассемии – наследственные заболевания, связанные с нарушением синтеза α- или β-цепей.
β-талассемии развиваются в результате снижения синтеза β-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.
α-талассемии возникают при нарушении синтеза α-цепей. При полном отсутствии α-цепей наступает внутриутробная гибель плода, так как не образуется HbF, а тетрамеры обладают высоким сродством к кислороду и не способны выполнять транспортную функцию, что ведет к развитию тканевой гипоксии и к смерти вскоре после рождения.
6. Распад гема, обезвреживание билирубина, выведение продуктов обезвреживания из организма.
Первая реакция катаболизма гема происходит при участии NADPH-зависимого ферментативного комплекса гемоксигеназы. Фермент катализирует расщепление связи между двумя пиррольными кольцами. В ходе реакции образуются линейный тетрапир-рол – биливердин (пигмент жёлтого цвета) и монооксид углерода. Биливердин восстанавливается до билирубина NADPH-зависимым ферментом биливердинредуктазой. Билирубин образуется не только при распаде гемоглобина, не также при катаболизме других гемсодержащю белков, таких как цитохромы и миоглобин. При распаде 1 г гемоглобина образуется 35 мг билирубина, а в сутки у взрослого человека - примерно 250-350 мг билирубина. Дальнейший метаболизм билирубина происходит в печени.
Билирубин, образованный в клетках (селезёнки и костного мозга), плохо растворим в воде, по крови транспортируется в комплексе с белком плазмы крови альбумином. Эту форму билирубина называют неконъюгированным билирубином.
Комплекс "альбумин-билирубин", доставляемый с током крови в печень. Высвобожденный билирубин образует временный комплекс с липидами плазматической мембраны, затем проникает в гепатоциты. В гладком ЭР гепатоцитов к билирубину присоединяются (реакция конъюгации) полярные группы, главным образом от глюкуроновой кислоты. Далее происходит секреция конъюгированного билирубина в жёлчь. В кишечнике поступившие билирубинглюкурониды гидролизуются специфическими бактериальными ферментами β-глюкуронидазами, которые гидролизуют связь между билирубином и остатком глюкуроновой кислоты. Освободившийся в ходе этой реакции билирубин под действием кишечной микрофлоры восстанавливается с образованием группы бесцветных тетрапиррольных соединений – уробилиногенов.