181
∙ нарушение выработки альдостерона, натрийуретического гормона.
12.1.4. Роль почек в водно-солевом обмене В почках происходит фильтрация, реабсорбции, секреция натрия, калия. На
почки оказывают регулирующее влияние альдостерон, антидиуретический гормон. В почках вырабатывается ренин – пусковой фермент ангиотензиновой системы. Почки осуществляют выделение протонов, и тем самым, регулируют рН.
12.1.5. Особенности водного обмена у детей У детей повышено общее содержание воды, которое у новорожденных
достигает 75%. В детском возрасте отмечается иное распределение воды в организме: снижено количество внутриклеточной воды до 30%, что обусловлено пониженным содержанием внутриклеточных белков. В то же время повышено содержание внеклеточной воды до 45%, что связано более высоким содержанием гидрофильных гликозаминогликанов в межклеточном веществе соединительной ткани.
Водный обмен в детском организме протекает более интенсивно. Потребность в воде у детей в 2-3 раза выше, чем у взрослых людей. Для детей характерно выделение в составе пищеварительных соков большого количества воды, которая быстро подвергается обратному всасыванию. У детей раннего возраста иное соотношение потерь воды из организма: больше доля воды, выделяемой через лёгкие и кожу. Для детей характерна задержка воды в организме (положительный водный баланс)
Вдетском возрасте наблюдается неустойчивая регуляция водного обмена, не сформировано чувство жажды, вследствие чего выражена склонность к обезвоживанию.
Втечение первых лет жизни преобладает выведение калия над выведением натрия.
12.2.Кальций - фосфорный обмен
Общее содержание кальция составляет 2% от массы тела (около 1,5 кг). 99% его сосредоточено в костях, 1% составляет внеклеточный кальций. Содержание кальция в плазме крови равняется 2,3-2,8 ммоль/л, 50% этого количества приходится на ионизированный кальций и 50% - на белковосвязанный кальций.
Функции кальция:
∙пластический материал;
∙участвует в мышечном сокращении;
∙участвует в свёртывании крови;
∙регулятор активности многих ферментов (играет роль вторичного посредника).
Суточная потребность в кальции для взрослого человека составляет 1,5 г. Всасывание кальция в желудочно – кишечном тракте лимитировано. Всасывается примерно 50% кальция пищевых продуктов при участии кальцийсвязывающего белка. Будучи внеклеточных катионом, кальций поступает в клетки через кальциевые каналы, депонируется в клетках в
182
саркоплазматическом ретикулуме и митохондриях.
Общее содержание фосфора в организме составляет 1% от массы тела (около 700 г). 90% фосфора содержится в костях, 10% приходится на внутриклеточный фосфор. В плазме крови содержание фосфора равно 1-2
ммоль/л.
Функции фосфора:
∙пластическая функция;
∙входит в состав макроэргов (АТФ);
∙компонент нуклеиновых кислот, липопротеидов, нуклеотидов, солей;
∙входит в состав фосфатного буфера;
∙регулятор активности многих ферментов (фосфорилирование – дефосфорилирование ферментов);
∙играет роль вторичного посредника для некоторых гормонов
Суточная потребность в фосфоре для взрослого человека составляет около 1,5 г. В желудочно–кишечном тракте фосфор всасывается при участии щелочной фосфатазы.
Кальций и фосфор выводятся из организма в основном через почки, незначительное их количество теряется через кишечник.
12.2.1. Регуляция кальций – фосфорного обмена.
В регуляции обмена кальция и фосфора участвуют паратгормон, кальцитонин, витамин Д.
Паратгормон повышает уровень кальция в крови и одновременно снижет уровень фосфора. Повышение содержания кальция связано с активацией фосфатазы, коллагеназы остеокластов, в результате чего при обновлении костной ткани происходит «вымывание» кальция в кровь. Кроме того, паратгормон активирует всасывание кальция в желудочно – кишечном тракте при участии кальцийсвязывающего белка и уменьшает выведение кальция через почки. Фосфаты под действием паратгоромна, наоборот, усиленно выводятся через почки.
Кальцитонин снижает уровень кальция и фосфора в крови. Кальцитонин уменьшает активность остеокластов и, тем самым, снижает выделение кальция из костной ткани.
13.2.1.1. Витамин D
Витамин D (холекальциферол, антирахитический витамин) относится к жирорастворимым витаминам. Суточная потребность в витамине составляет 25 мкг. Витамин D под действием УФ - лучей синтезируется в коже из его предшественника 7-дегидрохолестерина, который в комплексе с белком поступает в печень. В печени при участии микросомальной системы оксигеназ происходит его окисление в 25 положении с образованием 25 -гидрокисихолекальциферола. Этот предшественник витамина при участии специфического транспортного белка переносится в почки, где подвергается второй реакции гидроксилирования в первом положении с образованием активной формы витамина D3 - 1,25-дигидрохолекальциферола (или кальцитриола). Реакция гидроксилирования в почках активируется
183
паратгормоном при снижении уровня кальция в крови. При достаточном содержании кальция в организме в почках образуется неактивный метаболит 24,25 (ОН). В реакциях гидроксилирования принимает участие витамин С.
1,25 (ОН)2 D3 действует аналогично стероидным гормонам. Проникая в клетки – мишени, он взаимодействует с рецепторами, которые мигрируют в ядро клетки. В энтероцитах этот гормон – рецепторный комплекс стимулирует транскрипцию иРНК, отвечающую за синтез белка – переносчика кальция. В кишечнике усиливается всасывание кальция при участии кальцийсвязывающего белка и Са2+- АТФ-азы. В костной ткани витамин D3 стимулирует процесс деминерализации. В почках активация витамином D3 кальциевой АТФ-азы сопровождается увеличением реабсорбции ионов кальция и фосфатов. Кальцитриол участвует в регуляции процессов роста и дифференцировки клеток костного мозга. Он обладает антиоксидантным и противоопухолевым действием.
Гиповитаминоз приводит к заболеванию рахитом.
Гипервитаминоз приводит к выраженной деминерализации костей, кальцификации мягких тканей.
12.2.2. Нарушения кальций – фосфорного обмена Рахит проявляется нарушением минерализации костной ткани.
Заболевание может быть следствием гиповитаминоза D3., отсутствием солнечных лучей, недостаточной чувствительностью организма к витамину. Биохимическими симптомами рахита являются снижение уровня кальция и фосфора в крови и снижение активности щелочной фосфатазы. У детей рахит проявляется нарушением остеогенеза, деформаций костей, гипотонией мышц, повышенной нервно-мышечной возбудимостью. У взрослых людей гиповитаминоз приводит к кариесу и остеомаляции, у пожилых людей – к остеопорозу.
У новорожденных может развиваться транзиторная гипокальциемия, поскольку прекращается поступления кальция из организма матери и наблюдается гипопаратиреоз.
Гипокальцемия, гипофосфатемия могут встречаться при нарушении выработки паратгормона, кальцитонина, нарушении функции желудочно – кишечного тракта (рвота, диарея), почек, при механической желтухе, в период заживления переломов.
12.3. Обмен железа и его нарушения Общее содержание железа в организме взрослого человека составляет 5 г.
Железо распределяется в основном внутриклеточно, где преобладает гемовое железо: гемоглобин, миоглобин, цитохромы. Внеклеточное железо представлено белком трансферрином. В плазме крови содержание железа равно 16-19 мкмоль/л, в эритроцитах - 19 ммоль/л. Обмен железа у взрослых людей составляет 20-25 мг/сутки. Основная часть этого количества (90%) составляет эндогенное железо, освобождающееся при распаде эритроцитов, 10% - экзогенное железо, поступающее в составе пищевых продуктов.
Биологические функции железа:
184
∙обязательный компонент окислительно - восстановительных процессов в организме;
∙транспорт кислорода (в составе гемоглобина);
∙депонирование кислорода (в составе миоглобина);
∙антиоксидантная функция (в составе каталазы и пероксидаз);
∙стимулирует иммунные реакции в организме.
Всасывание железа происходит в кишечнике и является лимитированным процессом. Считается, что всасывается 1/10 часть железа пищевых продуктов. В пищевых продуктах содержится окисленное 3-х валентное железо, которое в кислой среде желудка переходит в Fе2+. Всасывание железа происходит в несколько этапов: поступление в энтероциты при участии муцина слизистой оболочки, внутриклеточный транспорт ферментами энтероцитов, переход железа в плазму крови. Во всасывании железа участвует белок апоферритин, который связывает железо и накапливается в слизистой кишечника, создавая депо железа. Эта стадия обмена железа является регуляторной: синтез апоферритина уменьшается при недостатке железа в организме.
Всосавшееся железо транспортируется в составе белка трансферрина, где окисляется церулоплазмином до Fе3+ , в результате чего возрастает растворимость железа. Трансферрин взаимодействует с тканевыми рецепторами, количество которых очень вариабельно. Этот этап обмена также является регуляторным.
Железо может депонироваться в форме ферритина и гемосидерина. Ферритин печени – водорастворимый белок, содержащий до 20% Fе2+ в виде фосфата или гидроксида. Гемосидерин – нерастворимый белок, содержит до 30% Fе3+, включает в свой состав полисахариды, нуклеотиды, липиды.
Выведение железа из организма происходит в составе слущивающегося эпителия кожи, кишечника. Незначительное количество железа теряется через почки с жёлчью и слюной.
К наиболее часто встречающейся патологии обмена железа относится железодефицитная анемия. Однако возможно и перенасыщение организма железом с накоплением гемосидерина и развитием гемохроматоза.
13. ТКАНЕВАЯ БИОХИМИЯ
13.1. БИОХИМИЯ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ Разнообразные виды соединительной ткани построены по единому
принципу: в большой массе межклеточного основного вещества (протеогликаны и сетчатые гликопротеиды) распределены волокна (коллагеновые, эластиновые, ретикулиновые) и разнообразные клетки (макрофаги, фибробласты, и другие клетки).
Соединительная ткань выполняет разнообразные функции:
∙опорная функция (костный скелет);
∙барьерная функция;
∙метаболическая функция (синтез в фибробластах химических компонентов ткани);
∙депонирующая функция (накопление меланина в меланоцитах);
185
∙репаративная функция (участие в заживлении ран);
∙участие в водно-солевом обмене (протеогликаны связывают внеклеточную воду).
Состав и обмен основного межклеточного вещества.
Материал о структуре протеогликанов и гликопротеидов изложен в разделе «Химия углеводов».
Синтез гликопротеидов и протеогликанов.
Углеводный компонент протеогликанов представлен гликозаминогликанами (ГАГ), включающими в свой состав ацетиламиносахара
иуроновые кислоты. Исходным веществом для их синтеза служит глюкоза.
1)Глюкозо - 6 - фосфат → фруктозо - 6-фосфат глютамин→ глюкозамин.
2)глюкоза → УДФ-глюкоза → УДФ -глюкуроновая кислота
3)глюкозамин + УДФ-глюкуроновая кислота + ФАФС → ГАГ
4)ГАГ + белок → протеогликан
Распад протеогликанов, гликопротеидов осуществляется различными ферментами: гиалуронидазой,идуронидазой,гексаминидазами,сульфатазами.
Обмен белков соединительной ткани. Обмен коллагена
Основным белком соединительной ткани является коллаген (структуру смотри в разделе «Химия белков»). Коллаген - это полиморфный белок с различными вариантами сочетания полипептидных цепей в его составе. В организме человека преобладают фибриллообразующие формы коллагена 1,2,3 типа.
Синтез коллагена.
Синтез коллагена происходит в фиробластах и во внеклеточном пространстве, включает несколько стадий. На первых стадиях синтезируется проколлаген N и С концевые фрагменты). Затем происходит посттрансляционная модификация проколлагена двумя способами: путём окисления (гидроксилирование) и путём гликозилирования.
1)окислению подвергается аминокислоты лизин и пролин при участии ферментов лизиноксигеназы, пролиноксигеназы, ионов железа и витамина С. Образовавшиеся гидроксилизин, гидроксипролин, участвуют в формировании поперечных связей в коллагене;
2)присоединение углеводного компонента осуществляется при участии ферментов гликозилтрансфераз.
Модифицированный проколлаген выделяется в межклеточное пространство, где подвергается частичному протеолизу путём отщепления концевых N и С фрагментов. В результате проколлаген переходит в тропоколлаген - структурный блок коллагенового волокна.
Распад коллагена.
Коллаген - медленно обменивающийся белок. Распад коллагена осуществляется ферментом коллагеназой. Она является цинксодержащим ферментом, который синтезируется в виде проколлагеназы. Проколлагеназа
186
активируется трипсином, плазмином, калликреином путём частичного протеолиза. Коллагеназа расщепляет коллаген в середине молекулы на большие фрагменты, которые далее расщепляются цинксодержащими ферментами желатиназами.
13.1.1. Витамин С В обмене коллагена очень важную роль играет витамин С (аскорбиновая
кислота, антицинготный витамин). По химической природе он является лактоном кислоты, по структуре близкой глюкозе. Суточная потребность в аскорбиновой кислоте для взрослого человека составляет 50 – 100 мг. Витамин С распространён в фруктах, овощах. Роль витамина С заключается в следующем:
∙участвует в синтезе коллагена;
∙участвует в обмене тирозина;
∙участвует в переходе фолиевой кислоты в ТГФК;
∙является антиоксидантом.
Авитаминоз «С» проявляется цингой (гингивит, анемия, кровоточивость).
Обмен эластина.
Обмен эластина изучен недостаточно. Считается, что синтез эластина в виде проэластина происходит в основном в эмбриональном периоде. Распад эластина осуществляется ферментом нейтрофилов эластазой, который синтезируется в виде неактивной проэластазы.
Особенности состав и обмена соединительной ткани в детском возрасте.
∙Выше содержание протеогликанов;
∙Иное соотношение ГАГ: больше гиалуроновой кислоты, меньше хондроттинсульфатов и кератансульфатов;
∙Преобладает коллаген 3 типа, менее устойчивый и более быстро обменивающийся;
∙Более интенсивный обмен компонентов соединительной ткани.
Нарушения обмена соединительной ткани.
Возможны врождённые нарушения обмена гликозаминогликанов и протеогликанов – мукополисахаридозы. Вторую группу заболеваний соединительной ткани составляют коллагенозы, в частности, ревматизм. При коллагенозах наблюдается деструктция коллагена, одним из симптомов которой является гидроксипролинурия.
13.2. БИОХИМИЯ МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ Химический состав мышц: 80-82% составляет вода, 20% составляет сухой
остаток. 18% сухого остатка приходится на белки, остальная часть его представлена азотистыми небелковыми веществами, липидами, углеводами, минеральными веществами.
Белки мышц.
187
Белки мышц делятся на 3 вида:
1)саркоплазматические (водорастворимые) белки, составляют 30% всех белков мышц;
2)миофибриллярные (солерастворимые) белки, составляют 50% всех белков мышц;
3) стромальные (водонерастворимые) белки, составляют |
20% всех |
мышечных белков. |
|
Миофибриллярные белки представлены миозином, актином, (основные белки) тропомиозином и тропонином (минорные белки).
Миозин - белок толстых нитей миофибрилл, имеет молекулярную массу около 500 000 д, состоит из двух тяжёлых цепей и 4 лёгких цепей. Миозин относится к группе глобулярно - фибрилярных белков. В нём чередуются глобулярные «головки» из лёгких цепей и фибриллярные «хвосты» из тяжёлых цепей. «Головка» миозина обладает ферментативной АТФ-азной активностью. На миозин приходится 50% миофибриллярных белков.
Актин представлен двумя формами глобулярной (G-форма),фибриллярной (F-форма). G- форма имеет молекулярную массу 43 000 д. F-форма актина имеет вид закрученных нитей из шаровидных G-форм. На этот белок приходится 20-30% миофибриллярных белков.
Тропомиозин - минорный белок с молекулярной массой 65 000 д. Он имеет овальную палочковидную форму, укладывается в углублениях активной нити, и выполняет функцию «изолятора» между активной и миозиновой нитью.
Тропонин – Са - зависимый белок, который меняет свою структуру при взаимодействии с ионами кальция.
Саркоплазматитческие белки представлены миоглобином, ферментами, компонентами дыхательной цепи.
Стромальные белки -коллаген, эластин.
Азотистые экстрактивные вещества мышц.
К азотистым небелковым веществам относятся нуклеотиды (АТФ), аминокислоты (в частности, глютамат), дипептиды мышц (карнозин и ансерин). Данные дипептиды влияют на работу натриевых, кальциевых насосов, активируют работу мышц, регулируют апопоптоз, являются антиоксидантами. К азотистым веществам относится креатин, фосфокреатин и креатинин. Креатин синтезируется в печени и транспортируется в мышцы.
Органические безазотистые вещества
188
В мышцах содержатся все классы липидов. Углеводы представлены глюкозой, гликогеном и продуктами углеводного обмена (лактат, пируват).
Минеральные вещества
Вмышцах содержится набор многих минеральных веществ. Наиболее высока концентрация кальция, натрия, калия, фосфора.
Химизм мышечного сокращения и расслабления.
При возбуждении поперечно – полосатых мышц происходит выход ионов кальция из саркоплазматического ретикулума в цитоплазму, где концентрация Са2+ увеличивается до 10-3 моля. Ионы кальция взаимодействует с регуляторным белком тропонином, изменяя его конформацию. В результате этого происходит смещение регуляторного белка тропомиозина вдоль актинового волокна и освобождение участков взаимодействия актина и миозина. Активируется АТФ-азная активность миозина. За счёт энергии АТФ изменяется угол наклона «головки» миозина по отношению к «хвосту», и в результате происходит скольжение актиновых нитей относительно миозиновых, наблюдается
сокращение мышц.
По прекращении поступления импульсов ионы кальция «закачивается» в саркоплазматический ретикулум при участии Са - АТФ-азы за счёт энергии АТФ. Концентрация Са2+ в цитоплазме снижается до 10-7 моля, что ведёт к освобождению тропонина от ионов кальция. Это, в свою очередь, сопровождается изоляцией сократительных белков актина и миозина белком тропомиозином, происходит расслабление мышц.
Для мышечного сокращения последовательно используются следующие
источники энергии:
1)ограниченный запас эндогенного АТФ;
2)незначительный фонд креатинфосфата;
3)образование АТФ за счёт 2 молекул АДФ при участии фермента
миокиназы (2 АДФ → АМФ + АТФ);
4)анаэробное окисление глюкозы;
5)аэробные процессы окисления глюкозы, жирных кислот, ацетоновых тел.
Вдетском возрасте в мышцах повышено содержание воды, меньше доля миофибриллярных белков, выше уровень стромальных белков.
К нарушениям химического состава и функции поперечно - полосатых мышц относятся миопатии, при которых наблюдается нарушение энергетического обмена в мышцах и снижение содержания миофибриллярных сократительных белков.
13.3.БИОХИМИЯ НЕРВНОЙ ТКАНИ
Серое вещество головного мозга (тела нейронов) и белое вещество (аксоны) отличаются содержанием воды и липидов. Химический состав серого и белого вещества:
189
Белки головного мозга
Белки головного мозга различаются по растворимости. Выделяют водорастворимые (солерастворимые) белки нервной ткани, к которым относятся нейроальбумины, нейроглобулины, гистоны, нуклеопротеиды, фосфопротеиды, и водонерастворимые (соленерастворимые), к которым относятся нейроколлаген, нейроэластин, нейростромин.
Азотистые небелковые вещества
Небелковые азотсодержащие вещества мозга представлены аминокислотами, пуринами, мочевой кислотой, дипептидом карнозином, нейропептидами, нейромедиаторами. В большей концентрации содержатся аминокислоты глютамат и аспатрат, относящиеся к возбуждающим аминокислотам головного мозга.
Нейропептиды (нейроэнкефалины, нейроэндорфины) – это пептиды, обладающие морфиноподобным обезболивающим эффектом. Они являются иммуномодуляторами, выполняют нейромедиаторную функцию. Нейромедиаторы норадреналин и ацетилхолин являются биогенными аминами.
Липиды головного мозга
Липиды составляют 5% сырой массы серого вещества и 17% сырой массы белого вещества, соответственно 30 - 70% от сухой массы мозга. Липиды нервной ткани представлены:
∙свободными жирными кислотами (арахидоновая, цереброновая, нервоновая);
∙фосфолипидами (ацетальфосфатиды, сфингомиелины, холинфосфатиды, холестерин);
∙сфинголипидами (ганглиозиды, цереброзиды).
Распределение жиров в сером и белом веществе неравномерно. В сером веществе отмечается более низкое содержание холестерина, высокое содержание цереброзидов. В белом веществе выше доля холестерина и ганглиозидов.
Углеводы головного мозга
Углеводы содержатся в ткани мозга в очень низкой концентрации, что является следствием активного использования глюкозы в нервной ткани. Углеводы представлены глюкозой в концентрации 0,05%, метаболитами
190
углеводного обмена.
Минеральные вещества
Натрий, кальций, магний, распространены в сером и белом веществе довольно равномерно. В белом веществе отмечается повышенная концентрация фосфора.
Основная функция нервной ткани заключается в проведении и передаче нервного импульса.
Проведение нервного импульса
Проведение нервного импульса связано с изменением концентрации натрия и калия внутри и вне клеток. При возбуждении нервного волокна резко увеличивается проницаемость нейронов и их отростков для натрия. Натрий из внеклеточного пространства поступает внутрь клеток. Выход калия из клеток задерживается. В результате происходит возникновение заряда на мембране: наружная поверхность приобретает отрицательный заряд, а внутренняя положительный заряд - возникает потенциал действия. По окончании возбуждения ионы натрия «выкачиваются» во внеклеточное пространство при участии К,Na-АТФ-азы, и мембрана перезаряжается. Снаружи мембраны возникает положительный заряд, а внутри - отрицательный заряд - возникает
потенциал покоя.
Передача нервного импульса
Передача нервного импульса в синапсах осуществляется с помощью нейромедиаторов. Классическими нейромедиаторами являются ацетилхолин и норадреналин.
Ацетилхолин синтезируется из ацетил-КоА и холина при участии фермента ацетилхолинтрансферазы, накапливается в синаптических пузырьках, выделяется в синаптическую щель и взаимодействует с рецепторами постсинаптической мембраны. Ацетилхолин разрушается ферментом
холинэстеразой.
Норадреналин синтезируется из тирозина, разрушается ферментом
моноаминоксидазой.