Биохимия тканей

46. Белки соединительной ткани – коллаген, эластин, протеогликаны. Особенности структуры и функции. Роль витамина С в функционировании соединительной ткани.

Межклеточный матрикс соединительной ткани характеризуется наличием волокнистых структур.

Коллаген – наиболее распространенный белок (25-30% от всех белков человека). Более 80% всех белков он составляет в коже, костях, связках, сухожилиях, хрящах. Поэтому он долгое время считался белком соединительной ткани.

Коллаген характеризуется особым АК составом:

- 1/3 всех АК остатков приходится на глицин;

- значительное количество пролина (до 10%);

- встречается гидроксипролин и гидроксилизин.

Большая часть представлена триадами –ГЛИ-Х-Y-, где Х – чаще пролин, а Y – чаще гидроксипролин. Эта регулярная последовательность представлена левозакрученной коллагеновой спиралью, более вытянутой, чем a-спираль. Каждая из спиралей представляет собой полипептидную цепь. Несколько спиралей соединяются в одну суперспираль, удерживающуюся за счет водородных связей между субъединицами. Длинна суперспирали примерно 300 нМ.

По АК составу выделяют 2 вида коллагеновых цепей:- a1;- a2.

Синтез коллагена.

Существуют 8 этапов биосинтеза коллагена: 5 внутриклеточных и 3 внеклеточных.

1-й этап

Протекает на рибосомах, синтезируется молекула-предшественник: препроколлаген.

2-й этап

С помощью сигнального пептида "пре" транспорт молекулы в канальцы эндоплазматической сети. Здесь отщепляется "пре" - образуется "проколлаген".

3-й этап

Аминокислотные остатки лизина и пролина в составе молекулы коллагена подвергаются окислению под действием ферментов пролилгидроксилазы и лизилгидроксилазы (эти окислительные ферменты относятся к подподклассу монооксигеназ).

При недостатке витамина "С" - аскорбиновой кислоты наблюдается цинга, - заболевание, вызванное синтезом дефектного коллагена с пониженной механической прочностью, что вызывает, в частности, разрыхление сосудистой стенки и другие неблагоприятные явления.

4-й этап

Посттрасляционная модификация - гликозилирование проколлагена под действием фермента гликозил трансферазы. Этот фермент переносит глюкозу или галактозу на гидроксильные группы оксилизина.

5-й этап

Заключительный внутриклеточный этап - идет формирование тройной спирали - тропоколлагена (растворимый коллаген). В составе про-последовательности - аминокислота цистеин, который образует дисульфидные связи между цепями. Идет процесс спирализации.

6-й этап

Секретируется тропоколлаген во внеклеточную среду, где амино- и карбоксипротеиназы отщепляют (про-)-последовательность.

7-й этап

Ковалентное "сшивание" молекулы тропоколлагена по принципу "конец-в-конец" с образованием нерастворимого коллагена. В этом процессе принимает участие фермент лизилоксидаза (флавометаллопротеин, содержит ФАД и Cu). Происходит окисление и дезаминирование радикала лизина с образованием альдегидной группы. Затем между двумя радикалами лизина возникает альдегидная связь.

Только после многократного сшивания фибрилл коллаген приобретает свою уникальную прочность, становится нерастяжимым волокном.

Лизилоксидаза является Cu-зависимым ферментом, поэтому при недостатке меди в организме происходит уменьшение прочности соединительной ткани из-за значительного повышения количества растворимого коллагена (тропоколлагена).

8-й этап

Ассоциация молекул нерастворимого коллагена по принципу "бок-в-бок". Ассоциация фибрилл происходит таким образом, что каждая последующая цепочка сдвинута на 1/4 своей длины относительно предыдущей цепи.

Эластин еще более гидрофобен, чем коллаген. В нем до 90 % гидрофобных аминокислот. Много лизина, есть участки со строго определенной последовательностью расположения аминокислот. Цепи укладываются в пространстве в виде глобул. Глобула из одной полипептидной цепи называется -эластин. За счет остатков лизина происходит взаимодействие между молекулами -эластина.

В образовании этой структуры принимают участие радикалы аминокислоты лизина. Это структура десмозина. Десмозин - это структура пиридина, которая образуется при взаимодействии лизина 4-х молекул -эластина. Витамин С – участвует в синтезе коллагена путем содействия специальным ферментами.

47. Мышечная ткань. Строение саркомера. Белки мышц – актин, миозин. Механизм мышечного сокращения. Источники энергии для мышечного сокращения.

Мышечная ткань составляет 40 % от веса тела человека. Биохимические процессы, протекающие в мышцах, оказывают большое влияние на весь организм человека.

Функция мышц - и постоянной температуре. Ни один искусственный механизм к этому не способен. Механическое движение, в котором химическая энергия превращается в механическую при постоянном давлении.

Поперечно-полосатая мускулатура.

Функциональная единица - саркомер.

Толстая нить. Состоит из молекул белка миозина. Миозин - крупный олигомерный белок, молекулярная масса 500 кДа, состоит из 6 субъединиц, попарно одинаковых.

Тяжелая цепь: на С-конце - -спираль, на N-конце - глобула. При соединении двух тяжелых цепей С-концевыми участками образуется суперспираль. Две легкие цепи входят в состав глобулы (головки). Стержневой участок суперспирали имеет 2 отдела, где спирали оголены - эти места открыты для действия протеолитических ферментов и имеют повышенную подвижность.

Миозин

Отличается большим содержанием глутаминовой кислоты. Имеет отрицательный заряд. Он связывает ионы Са++ и Mg++. В присутствии Са++ миозин обладает активностью АТФ-азы. В присутствии Mg++ миозин связывает АТФ и АДФ. Способен взаимодействовать с актином.

Молекула миозина длинная – 160 нм и тонкая (ширина её – 2 нм), представляет собой две полипептидные цепи. Есть т.н. головки миозина.

Актин

Имеет три формы.

- мономерная форма: G–актин (глобулярная структура, глобулы полярные), связывается с АТФ;

- димерная;

- полимерная.

Мономеры могут соединяться в присутствии АТФ в димеры (G+G+АТФ®G-АТФ-G+ Фн), из димеров могут образовываться полимеры: F–актин (от «фибрилла»).

Молекула миозина обладает ферментативной активностью (АТФ-азная активность: АТФ + Н2О-->АДФ + Ф). Активные центры расположены на головках миозина.

Тонкие нити. В состав тонких нитей входят три белка:

сократительный белок актин;

регуляторный белок тропомиозин;

регуляторный белок тропонин.

Актин - небольшой глобулярный белок, его молекулярная масса - 42 кDа. G-актин представляет собой глобулу. В физиологических условиях его молекулы способны к спонтанной агрегации, образуя F-актин.

В состав тонкой нити входят две F-актиновые нити, образуется суперспираль (2 перекрученные нити). В области Z-линий актин прикрепляется к a-актинину.

Механизм мышечного сокращения.

Сродство комплекса "миозин-АТФ" к актину очень низкое.

Сродство комплекса "миозин-АДФ" к актину очень высокое.

Актин ускоряет отщепление АДФ и Ф от миозина и при этом происходит конформационная перестройка - поворот головки миозина.

1-я стадия
Фиксация АТФ на головке миозина.

2-я стадия
Гидролиз АТФ. Продукты гидролиза (АДФ и Ф) остаются фиксированными, а выделившаяся энергия аккумулируется в головке. Мышца готова к сокращению.

3-я стадия
Образование комплекса "актин-миозин". Он очень прочен. Может быть разрушен только при сорбции новой молекулы АТФ.

4-я стадия
Конформационные изменения молекулы миозина, в результате которых происходит поворот головки миозина. Освобождение продуктов реакции (АДФ и Ф) из активного центра головки миозина.

Источники энергии следующие.

1.Специальные реакции субстратного фосфорилирования. Креатинфосфокиназная реакция.Это самый быстрый способ ресинтеза АТФ. Запасов креатинфосфата хватает для обеспечения мышечной работы в течение 20 с.Не требует присутствия кислорода, не дает побочных нежелательных продуктов, включается мгновенно. Его недостаток - малый резерв субстрата (хватает только на 20 с работы). Обратная реакция может протекать в митохондриях с использованием АТФ, образовавшейся в процессе окислительного фосфорилирования. Миокиназная реакция. Протекает только в мышечной ткани!АДФ --------> АТФ + АМФ.Реакция катализируется аденилаткиназой.Главное значение этой реакции заключается в образовании АМФ - мощного аллостерического активатора ключевых ферментов гликолиза, гликогенолиз

2.Гликолиз, гликогенолиз. Не требуют присутствия кислорода (анаэробные процессы). Обладают большим резервом субстратов. Используется гликоген мышц (2 % от веса мышцы) и глюкоза крови, полученная из гликогена печени. 3 АТФ на один глюкозный остаток гликогена.Накопление недоокисленных продуктов (лактат).Гликолиз начинается не сразу - только через 10-15 с после начала мышечной работы.

3.Окислительное фосфорилирование. синтезируется 38 молекул АТФ при окислении одной молекулы глюкозы.Имеет самый большой резерв субстратов: может использоваться глюкоза, гликоген, глицерин, кетоновые тела.Продукты распада (CO2 и H2O) практически безвредные.Недостаток: требует повышенных количеств кислорода.

48. Биохимия нервной ткани. Особенности метаболизма мозга. Образование и роль производных аминокислот: серотонина, ГАМК, гистамина, других биогенных аминов. Обезвреживание аммиака в нервной ткани.

Химические компоненты нервной ткани

ЦНС координирует и регулирует обмен веществ в организме. Она также обеспечивает взаимосвязь организма с внешней средой.

Химический состав нервной ткани сложен и неоднороден. Например, в сером веществе 77-81% воды, а в белом – 70%. Количество белков в нервной ткани меньше, чем в мышечной или в печени. При этом белков больше в сером веществе, и меньшее их количество содержится в периферической нервной ткани. В функционально более активных структурах белков больше.

Характерным для белков нервной ткани является то, что они находятся в комплексе с другими соединениями, т.е. это сложные белки. Больше всего липопротеинов (ЛП). Особенно много их в миелиновых оболочках. Есть фосфопротеины – фосфат присоединяется к белку через серин (-NH-CH(CH2OPO3H2)-CO-). Также в нервной ткани есть нуклеопротеины (НП) (дезоксирибонуклеопротеины (ДНП), рибонуклеопротеины (РНП)), гликопротеины (например, нейрокератин).

Особенности обмена веществ в нервной ткани

Энергетический обмен.

В ткани головного мозга увеличено клеточное дыхание (преобладают аэробные процессы). Мозг потребляет большее количество кислорода, чем постоянно работающее сердце, в 20 раз больше, чем покоящиеся мышцы. 20-25% всего кислорода приходится на долю головного мозга. У детей до 50%.

Ткань головного мозга использует весь кислород, находящийся в ней, за 10 секунд. Следовательно, важное значение имеет кровоснабжение головного мозга. при нарушении кровообращения через 6-8 секунд наступает потеря сознания.

Дыхательный коэффициент (отношение объема СО2 к объему О2) в тканях головного мозга приблизительно равно 1, следовательно углеводы – это основной субстрат для окисления. Мозг – единственный орган, который использует в качестве источника энергии практически одну только глюкозу (при патологии могут использоваться кетоновые тела), т.е. функционирование головного мозга зависит от снабжения глюкозой.

70% АТФ в тканях головного мозга используется для поддержания ионных градиентов (энергия используется для удаления ионов натрия из клетки).

Углеводный обмен.

Исходным субстратом для окисления является глюкоза (не гликоген!). Гипогликемия приводит к судорогам и, возможно, к смерти.

85% глюкозы окисляется аэробно (до углекислого газа и воды), 15% - анаэробно (до лактата). Анаэробное окисление – это аварийный механизм.

Гликогена содержится немного – 0,1%, но интенсивность его обновления достаточно велика. Весь гликоген в ткани головного мозга обновляется за 4 часа. Распад гликогена идет 2 путями:

- фосфорилический (с участием фосфорилазы);

- гидролитический - g-амилаза отщепляет остатки глюкозы.

Нарушения обмена углеводов ведут к нарушению функций головного мозга. При авитаминозе В1 нарушается превращение ПВК, следовательно развиваются полиневриты. Угнетение окисления углеводов ведет к развитию торможения в нервной системе (используется при разработке снотворных веществ). Во сне потребление глюкозы снижается, а при возбуждении увеличивается.

Белковый обмен.

При возбуждении увеличивается распад белков и, как следствие, образуется больше аммиака и азота АК. При торможении распад белков снижается.

У человека в больших количествах образуется аммиак, являющийся токсичным веществом для нервной ткани и поэтому он должен быть обезврежен. Обезвреживание происходит путем образования амидов моноаминодикарбоновых АК: [рис. NH2-CH(CH2-CH2-COOH)-COOH (это глутаминовая кислота) +NH3® (над стрелкой глутамин-синтетаза, под Mg2+, АТФ®АДФ+Фн) NH2-CH(CH2-CH2-CONH2)-COOH (это глутамин)]. Этот процесс интенсивно протекает в нервной ткани, т.к. глутамин свободно выходит из клеток.

Глутаминовая кислота играет особенную роль в обмене веществ:

1. связывает аммиак;

2. участвует в реакциях переаминирования, в результате которых образуются заменимые АК (аспарагиновая кислота);

3. подвергается декарбоксилированию: [рис. NH2-CH(CH2-CH2-COOH)-COOH (это глутаминовая кислота) ® (над стрелкой глутамат-декарбоксилаза, под – ПФ(В6)) NH2-CH2-CH2-CH2--COOH (это g-аминомасляная кислота)]. Образующаяся g-аминомасляная кислота является тормозящим нейромедиатором;

4. подвергается окислительному дезаминированию. В результате этого многие АК теряют NH2-группу;

5. является возбуждающим нейромедиатором;

6. стабилизирует содержание ионов калия в клетках нервной ткани.

До 10% глюкозы используется в качестве субстрата для синтеза глутаминовой кислоты.

Липидный обмен.

В нервной ткани липиды не играют энергетической роли. Содержащиеся в основном фосфолипиды и холестерин играют структурную функцию. Нейтральные жиры играют защитную функцию.

В клетках головного мозга идет активный метаболизм аминокислот. В головном мозге концентрация аминокислотпочти в 8 раз выше, чем в плазме крови, и существенно выше, чем в печени. В особенности высоким является уровень глутамата (примерно 5-10 мМ) и аспартата (2-3 мМ). Эти аминокислоты образуются в реакциитрансаминирования из промежуточных метаболитов цитратного цикла, 2-оксоглутарата и оксалоацетата (см. рис.181).

В тканях мозга интенсивно протекают метаболические превращения аминокислот, такие, как окислительноедезаминирование, трансаминирование, модификация боковой цепи и др. В особенности важной для нормального функционирования головного мозга является реакция декарбоксилирования, в результате которой образуется γ-аминомасляная кислота (γ-аминобутират) (ГАМК, GABA) (предшественник — глутамат) и биогенные амины.Биосинтез и деградацию глутамата можно рассматривать, как побочный путь цитратного цикла (ГАМК-шунт), который в отличие от основного цикла не приводит к синтезу гуанозин-5'-трифосфата (см. рис. 139). ГАМК-шунт характерен для клеток центральной нервной системы, но не играет существенной роли в других тканях.

Некоторые аминокислоты, например глицин, аспартат, глутамат, ГАМК, выполняют в нейронах функцию медиаторов. Они хранятся в синапсах и выделяются при поступлении нервного импульса (см. рис. 343). Переносчики индуцируют или ингибируют потенциал действия, контролируя тем самым возбуждение соседних нейронов.

Обезвреживание аммиака

1.в митохондриях орнитинкарбамоилтрансфераза переносит карбамоильную группу карбомоилфосфата на орнитин-цитруллин

2.с затратой АТФ аргинитосукцинатсинтетаза связ.цитруллин с аспартатом-аргининосукцинат

3.аргининосукциназа расщепляет на аргинин и фумарат

4.аргиназа гидролизует аргинин на орнитин и мочевину

5.орнитин связ.с новой молекулой карбамоилфосфата и новый цикл