Введення в біохімію. Біохімічні компоненти клітин.
1. Біологічна хімія ( біохімія) як наука. Місце біохімії серед інших медико-біолгічних дисциплін.
Біохімія – наука, предметом вивчення якої є хім. cклад організмів людини, тварин, рослин, мікроорганізмів, вірусів та хімічні реакції, в
які вступають біоорганічні і біонеорганічні сполуки, що входять до складу цих організмів. Відгалуження сучасної біохімії –
молекулярна біологія та біотехнологія – все в більшій мірі стають основою теоретичної медицини, впливаючи на напрямки розвитку й
інших медико-біологічних наук, зокрема фізіології, морфології, імунології, мікробіології, вірусології тощо.
2.
Об’єкти вивчення та завдання біохімії. Провідна роль біохімії у встановленні молекулярних механізмів патогенезу
хвороб людини.
Об*єктами вивчення є живі організми на різних етапах еволюційного розвитку: віруси, бактерії, рослини, тварини, організм людини як
біологічний об*єкт. Основними завданнями біохімії є вивчення хімічного складу організму і структури речовин, з яких він складається,
послідовності і взаємозв’язку реакцій хімічних перетворень, які характерні для живого організму і відрізняються від неживого.
Курс біохімії містить наукові відомості, що стосуються біохімічних процесів, які відбув в організмі здорової та хворої людини, і
засвоєння яких є необхідною передумовою для оволодіння знаннями про молекулярні механізми як фізіологічних ф-цій, так і розвитку
патологічних процесів. Біохімічні, молекулярно-біологічні підходи та методи посідають все важливіше місце в діагностичному процесі,
контролі за перебігом хвороби та ефективністю лікування.
3.
Зв’язок біохімії з іншими біомедичними науками. Медична біохімія. Клінічна біохімія. Біохімічна лабораторна
діагностика.
Медична біохімія – це розділ біохімії, який вивчає закономірності обміну речовин та їх порушення в умовах як нормального
функціонування людського організму, так і виникнення патологічних процесів різного ґенезу, зокрема спричинених дією на організм
ушкоджуючи факторів біологічного, хімічного, фізичного походження. З метою розв*язання біохімічних механізмів виникнення
хвороб в медичній біохімії широко використовується метод моделювання певних патологічних процесів на експериментальних
тваринах.
Клінічна біохімія є підрозділом медичної біохімії, що вивчає біохімічні процеси, які відбуваються в організмі хворої людини,
притаманні окремим захворюванням, пов*язані з патогенезом хвороб, і дослідження яких може бути використаним у діагностиці
ураження певних органів, тканин, клітинних структур. Важливим розділом клінічної біохімії є клінічна ензимологія. Об*єктом
вивчення цього розділу клінічної біохімії є перебіг ферментних реакцій в організмі людини за умов різних захворювань шляхом
визначення активності окремих ферментів, ізоферментів та ферментних констеляцій в біологічних рідинах і біоптатах та використання
набутої інформації в діагностичному та лікувальному процесах.
4.
Історія біохімії; розвиток біохімічних досліджень в Україні.
До початку 19 століття існувала загальна впевненість, що життя не підлягає фізичним і хімічним законам, притаманним неживій
природі. Вважалося, що лише живі організми здатні виробляти молекули, характерні для них. Лише в 1828 році Фрідріх Велер
опублікував роботу про синтез сечовини, здійснений в лабораторних умовах, довівши, що органічні сполуки можуть бути створені
штучно.
Це
відкриття
завдало
серйозної
поразки
вченим-віталістам,
що
заперечували
таку
можливість.
На той час вже існував фактичний матеріал для первинних біохімічних узагальнень, котрий нагромаджувався в зв'язку з практичною
діяльністю людей, спрямованою на виготовлення їжі та вина, одержання пряжі з рослин, очистку шкіри від шерсті за допомогою
мікробів, на вивчення складу і властивостей сечі та інших виділень здорової і хворої людини. Після робіт Велера поступово почали
встановлюватися такі наукові поняття, як дихання, бродіння, ферментація, фотосинтез. Вивчення хімічного складу і властивостей
сполук, виділених з тварин
і
рослин,
стає
предметом
органічної
хімії
(хімії
органічних
сполук).
Початок біохімії також ознаменувався відкриттям першого ферменту, діастази (зараз відомого як амілаза) в 1833 році Ансельмом
Паєном. Труднощі, пов'язані з одержанням ферментів з тканин і клітин, використовувались прихильниками віталізму для твердження
про неможливість вивчення клітинних ферментів поза живими істотами. Це твердження було спростоване російським лікаркою М.
Манассеїною (1871 — 1872), яка запропонувала можливість спостерігати спиртове бродіння в екстрактах розтертих (тобто позбавлених
структурної цілісності) дріжджів. У 1896 році ця можливість була підтверджена німецьким вченим Едуардом Бухнером, який зумів
експериментально
спостерігати
цей
процес.
Сам термін «біохімія» був вперше запропонований в 1882 році, проте, вважається, широкого використання він набув після робіт
німецького хіміка Карла Нойберга в 1903 році. До того часу ця галузь досліджень була відома як фізіологічна хімія. Після цього часу
біохімія швидко розвивалася, особливо починаючи з середини 20 століття, перш за все завдяки розробці нових методів, таких як
хроматографія, рентгеноструктурний аналіз, ЯМР-спектроскопія, радіоізотопне мічення, електронна та оптична мікроскопія та,
нарешті, молекулярна динаміка й інші методи обчислювальної біології. Ці методи дозволили відкриття і детальний аналіз багатьох
молекул і метаболічних шляхів клітини, таких як гліколіз і цикл Кребса. Іншою важливою історичною подією в розвитку біохімії стало
відкриття генів та їх роль в передачі інформації в клітині. Це відкриття заклало можливість виникнення на тільки генетики, але й її
міждисциплінарної галузі з біохімією, молекулярної біології. В 1950-х роках Джеймс Ватсон, Френсіс Крік, Розалінда Франклін і Моріс
Вілкінс зуміли розшифрувати структуру ДНК та запропонували її зв'язок із генетичною передачею інформації в клітині. Також в 1950-х
роках Джордж Відль і Едвард Татум довели, що один ген відповідає за синтез одного білка. Із розробкою методів аналізу ДНК, таких як
генетичний фінгерпринтінг, в 1988 році Колін Пітчфорк став першою людиною, звинуваченою у вбивстві за допомогою свідоцтва на
основі ДНК, що стало першим великим успіхом біохімічної судмедекспертизи. В 200-х роках Андрю Файр і Крег Мелло показали роль
РНК-інтерференції
(RNAi),
в
придушенні
експресії
генів.
Зараз, направлення біохімічних досліджень протікають в трьох напрямках, сформульованих Майклом Шугаром. Біохімія рослин
досліджує біохімію переважно автотрофних організмів та досліджує такі процеси як фотосинтез та інші. Загальна біохімія включає
дослідження як рослин, так і тварин і людини, тоді як медична біохімія фокусується переважно на біохімії людини та відхиленнях
біохімічних процесів від норми, зокрема в результаті хвороб.
5.
Структурно-функціональні компоненти клітин, їх біохімічні функції. Класи біомолекул. Їх ієрархія та походження.
Біохімічні компоненти клітини - Біомолекули — біоорганічні сполуки, що входять до складу живих організмів та спеціалізовані для
утворення клітинних структур і участі в біохімічних реакціях, які становлять сутність обміну речовин та фізіологічних функцій живих
клітин. Функції біомолекул у живих організмах: а) участь у біохімічних реакціях обміну речовин в ролі субстратів та проміжних
продуктів (метаболітів). Прикладами є моносахариди та їх фосфорні ефіри, жирні кислоти та продукти їх окислення, амінокислоти,
кетокислоти, дикарбонові кислоти, пуринові та піримідинові основи тощо; б) участь в утворенні інших, більш складних молекул —
білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів, ліпідів (наприклад, амінокислоти, нуклеотиди, вищі жирні кислоти тощо), або біологічних
структур (мембран, рибосом, ядерного хроматину тощо); в) участь у регуляції біохімічних процесів та фізіологічних функцій окремих
клітин та цілісного організму. Біомолекулами-регуляторами є вітаміни, гормони та гормоноподібні сполуки, внутрішньоклітинні
регулятори—циклічні нуклеотиди цАМФ, цГМФ тощо. Головні класи біомолекул, що складають основу структури та функції живих
організмів. Білки та амінокислоти. Білки - біоорганічні високомолекулярні сполуки, молекули яких є гетерополімерами, побудовані із
залишків α-L-амінокислот, об’єднаних кислото-амідними (пептидними) зв’язками (—СО—NН-). Пептиди (поліпептиди) - біомолекули,
що відрізняються від власне білків меншою молекулярною масою (меншою 5-6 кД) та фізико-хімічними характеристиками. При
гідролізі природних білків та пептидів вивільняється близько 20 α-L-амінокислот, розміщення кожної з яких в поліпептидному ланцюзі
кодується триплетом нуклеотидів в ДНК геному, що кодує даний білок. Нуклеїнові кислоти та нуклеотиди. Нуклеїнові кислоти —
ДНК, РНК — біополімери (біомакромолекули), що складаються з п’яти основних нуклеотидів пуринового та піримідинового ряду, є
носіями генетичної інформації у всіх живих організмах, починаючи від найпростіших вірусів до організму людини. Ліпіди та їх похідні
— біомолекули різноманітної хімічної будови, головною особливістю яких є їх гідрофобний характер. Ліпіди виконують численні
біологічні функції, виступаючи як енергетичний матеріал (триацилгліцероли, або нейтральні жири), основа структури біомембран
(фосфоліпіди, гліколіпіди), фізіологічно активні сполуки з регуляторною дією (стероїдні гормони, жиророзчинні вітаміни,
ейкозаноїди). Вітаміни — сполуки, що не синтезуються в тваринних організмах, але необхідні для життєдіяльності, зокрема є
компонентами метаболізму, за участю яких функціонують певні найважливіші ферментні системи. Гормони - фізіологічно активні
сполуки, що продукуються залозами внутрішньої секреції (ендокринними залозами) або іншими спеціалізованими клітинами і діють як
біорегулятори, контролюючи перебіг біохімічних реакцій та фізіологічних функцій в організмі. Нейромедіатори (нейротрансміттери) біомолекули, що забезпечують передавання хімічних сигналів (нервових імпульсів) у нервовій системі з одного нейрона на інший або з
нейрона на ефекторний орган. Походження біомолекул С.Міллер вперше показав можливість утворення карбонових кислот та αамінокислот, що використовуються для синтезу природних білків, за умов дії електричних розрядів на газову суміш метану, аміаку,
водню та водяної пари. Пізніше була доведена можливість утворення із зазначених хімічних сумішей в умовах, що моделювали
первісну атмосферу, не тільки амінокислот, а й пуринів і піримідинів, тобто попередників нуклеїнових кислот. У послідовностях
реакцій, що призводять до абіогенного синтезу азотовмісних біоорганічних сполук, центральне місце займає ціанід водню HCN, що
може утворюватися, зокрема, в такій реакції: У подальшому ціановодень може перетворюватися до ціанаміду, нітрилів та
ціаноацетилену— попередників у синтезі амінокислот, пуринів, піримідинів, порфіринів:
Ферменти та коферменти. Регуляція метаболізму
Ферменти: визначення; властивості ферментів як біологічних каталізаторів.
1.
Ферменти (ензими) - біологічні каталізатори білкової природи, які синтезуються в клітинах живих організмів і забезпечують необхідні
швидкість і координацію біохімічних реакцій, що становлять обмін речовин (метаболізм). Властивості ферментів ферменти значно
підвищують швидкість перебігу біохімічних реакцій, але не входять до складу кінцевих продуктів реакції; ферменти забезпечують
перебіг лише тих біохімічних реакцій, які можливі згідно з законами термодинаміки; ферменти прискорюють швидкість як прямої, так і
зворотної реакції перетворення субстрату, не змінюючи константи рівноваги (Кр) реакції та зменшуючи термін часу до досягнення
стану рівноваги (або стаціонарного стану у відкритій метаболічній системі); протягом реакції фермент певним чином взаємодіє із
субстратом, що перетворюється, але до складу кінцевих продуктів реакції не входить. Під час перебігу біохімічної реакції, що
каталізується, відбувається циклічний процес, в ході якого фермент та субстрат підлягають ступінчастому перетворенню з утворенням
продукту реакції та регенерацією ферменту; ферменти є високоспецифічними каталізаторами, тобто діють, як правило, на структурно
близькі субстрати, що мають певний хімічний зв’язок, структурно подібні радикали або функціональні групи. Проявом високої
специфічності ферментів є їх стереоспецифічність, тобто здатність перетворювати тільки певні стереоізомери, наприклад L- або Lамінокислоти, D- або L-моносахариди; відповідно до білкової природи, каталітична активність ферментів дуже чутлива до змін фізикохімічних властивостей середовища (рН, температури), які можуть впливати на структурну організацію молекул ферментів,
спричиняючи в певних умовах їх денатурацію; активність ферментів може суттєво змінюватися під впливом певних хімічних сполук,
що збільшують (активатори) або зменшують (інгібітори) швидкість реакції, яка каталізується.
2.
Класифікація та номенклатура ферментів, характеристика окремих класів ферментів.
Класифікація ферментів Ферменти поділяють на класи згідно з типом реакції, яку вони каталізують; класи ферментів поділяють на
підкласи, а останні - на підпідкласи, у складі яких кожному ферменту відповідає певний номер. 1-й клас. Оксидоредуктази - ферменти,
що каталізують окислювально-відновлювальні реакції різних типів. До оксидоредуктаз належать дегідрогенази - ферменти, що
каталізують реакції дегідрування; оксидази та оксигенази, що окислюють субстрати шляхом приєднання кисню; цитохроми переносники електронів тощо. 2-й клас. Трансферази - ферменти, що каталізують реакції міжмолекулярного переносу хімічних груп.
Трансферази поділяють на амінотрансферази, метилтрансферази, ацил-трансферази, фосфотрансферази, глікозилтрансферази —
ферменти, що переносять амінні, метальні, ацильні, фосфатні, глікозильні групи відповідно. До трансфераз належать також кінази,
зокрема протеїнкінази - ферменти, що каталізують фосфорилування субстратів та інших білків за рахунок фосфатного залишку АТФ. 3й клас. Гідролази - ферменти, що каталізують реакції гідролізу, тобто розщеплення субстратів за участю молекули води. Гідролази
здатні розщеплювати складноефірні, пептидні, глікозидні та інші зв’язки - естерази, пептидази та протеази, глікозидази. 4-й клас. Ліази
- ферменти, що каталізують реакції розщеплення ковалентних зв’язків між атомами С, О, N, S негідролітичним шляхом. До ліаз
належать декарбоксилази - ферменти, що відщеплюють від органічних кислот карбоксильну групу у вигляді С02; альдолази, що
розщеплюють вуглець-вуглецеві зв’язки з утворенням альдегідів; дегідратази, які відщеплюють від субстратів молекулу води з
утворенням подвійного зв’язку. 5-й клас. Ізомерази - ферменти, що каталізують реакції ізомеризації субстратів (рацемізації,
епімеризації, внутрішньомолекулярної оксидоредукції тощо) - рацемази, епімерази тощо. 6-й клас. Лігази (синтетази) - ферменти, що
каталізують реакції синтезу біомолекул, тобто утворення нових хімічних зв’язків за рахунок енергії АТФ. Код ферменту (за
систематичною класифікацією ферментів - КФ) складається з чотирьох цифр, що позначають: клас - підклас - підпідклас - порядковий
номер ферменту в підпідкласі.
3.
Будова та механізми дії ферментів. Активний та алостеричний (регуляторний) центр.
Більшість ферментів має чотири рівні структурної організації (первинну, вторинну, третинну і четвертинну), тобто є олігомерними
білками, що складаються із протомерів. Кожна із субодиниць або окремі їх частини відіграють певну роль у процесі функціонування
ферменту. Прості (однокомпонентні) ферменти здійснюють ферментативне перетворення субстрату з участю власне білкової молекули.
Безпосередню участь у реакції бере не весь поліпептидний ланцюг ферменту, а тільки незначна його частина, що близько прилягає до
субстрату. У ферментативну реакцію включається тільки декілька залишків амінокислот. Ці залишки можуть розташовуватися в
поліпептидному ланцюзі як поруч, так і далеко один від одного, але просторово вони повинні бути досить зближені. Та частина
молекули ферменту, яка з'єднується із субстратом, називається активним центром ферменту. Активний центр відповідає за специфічну
спорідненість ферменту із субстратом, утворення ферменто-субстратного комплексу і каталітичне перетворення субстрату. В
активному центрі ферменту умовно розрізняють так звану каталітичну ділянку, де відбувається каталітичне перетворення субстрату, і
контактну, або якірну ділянку, що зв'язує фермент із субстратом. За утворення активного центру ферменту, як і за його каталітичну
дію, відповідає третинна структура білкової молекули. Отже, при порушенні третинної структури (денатурація) роз'єднуються
просторово поєднані амінокислотні залишки і, як наслідок, фермент втрачає активність. У складі активного центру простого ферменту
знаходиться приблизно 15 залишків амінокислот. Активний центр утворюють залишки таких амінокислот, як серин, цистеїн, гістидин,
тирозин, лізин та деякі інші, що надають ферменту як просторової, так і електричної спорідненості із субстратом. В утворенні
тимчасового комплексу між ферментом і субстратом важлива роль належить дисульфідним, іонним, а також слабким зв'язкам (водневі
зв'язки, гідрофобна взаємодія). В утворенні активних центрів беруть участь також кофактори даного ферменту: простетичні групи, іони
металів. Активний центр складних (двокомпонентних) ферментів містить у своєму складі як кофермент, так і ту частину апоферменту,
що просторово прилягає до нього. Кофермент при цьому може відповідати за утворення зв'язку із субстратом, формування третинної
або четвертинної структури апоферменту і каталітичне перетворення субстрату. Ферменти можуть мати 1, 2, 3 і більше активних
центрів, що залежить від кількості протомерів (субодиниць), які входять у його структуру. Крім активних центрів, у ферментах можуть
бути ще так звані алостеричні центри (від грец. алос — інший, другий; стереос — просторовий, структурний). Алостеричні центри
служать місцем впливу на фермент різних регуляторних чинників, тому їх ще називають регуляторними центрами, а речовини, що
взаємодіють з алостеричним центром, отримали назву ефекторів. Приєднання до алостеричного центру ефектора призводить до певних
структурних змін в активному центрі та, як наслідок, пригнічення або підвищення активності ферменту. Ефекторами можуть служити
продукти ферментативних реакцій, гормони, медіатори нервової системи, метали. Алостеричних центрів (як і активних) фермент може
мати декілька, відповідно до кількості протомерів. Важливо зазначити, що алостеричні й активні центри у ферментах просторово
відокремлені, тобто знаходяться один від одного на певній відстані. Механізми дії ферментів Ферменти збільшують швидкості
біохімічних реакцій, які вони каталізують, у 108-1020 разів; при відсутності ферменту будь-яка метаболічна реакція практично не
відбувається. Відомо, що константа швидкості хімічної реакції залежить від її енергії активації та температури, що виражається
рівнянням Арреніуса в експоненційній формі: k = Ае-∆Е/RT. Під енергією активації (∆Е в рівнянні Арреніуса) в хімічній термодинаміці
розуміють додаткову енергію, необхідну для переходу молекул (субстратів S) у перехідний (активований) стан (S*), який передує їх
перетворенню в продукти реакції. Згідно з цим, експоненційний член рівняння е-∆Е/RT (фактор Больцмана) - частка молекул у системі,
які мають енергію, достатню для хімічного перетворення. Оскільки всі метаболічні процеси в живих організмах перебігають в
ізотермічних умовах, каталітична дія ферментів реалізується за рахунок зниження енергії активації (∆Е) біохімічної реакції, що
збільшує
фактор
Больцмана
і,
відповідно,
константу
швидкості
реакції
на
декілька
порядків.
4.
Кофактори та коферменти. Будова та властивості коферментів, вітаміни як попередники в біосинтезі коферментів.
Кофактори та коферменти Кофактори. Багато ферментів потребують для реалізації своєї каталітичної активності наявності певних
низькомолекулярних небілкових сполук кофакторів. Роль кофакторів можуть відігравати біоорганічні сполуки різної хімічної природи
або іони металів (Mg2+, Ca2+, Fe3+, Fe2+, Cu2+, Cuj+ та ін.). Іони металів зв'язані з апоферментом або входять до складу небілкової
простетичної групи - найчастіше порфіринового кільця гемінових ферментів (цитохромів, пероксидаз, каталази). Ферменти, які міцно
зв'язані з іонами металів і не втрачають цього зв'язку за умов виділення та фракціонування ферменту, назваються металоферментами. У
деяких випадках іони металів не входять до складу ферментів як інтегральні структурні компоненти, а виконують лише функцію їх
активаторів. Коферменти (коензими) — біоорганічні сполуки небілкової природи, що є необхідними для дії ферменту, тобто
перетворення субстрату в каталітичному акті. Коферменти можуть сполучатися з білковою частиною (апоферментом) нековалентними
фізико-хімічними або ковалентними зв'язками (в останньому випадку вони є простетичними групами ферментного білка - флавінові
коферменти, піридоксаль-фосфат, ліпоєва кислота тощо); інколи коферменти утворюють комплекси з апоферментом лише в ході
каталітичного процесу (НАД, НАДФ). За хімічною природою коферменти підрозділяють на: - похідні вітамінів, зокрема: вітаміну В, тіаміндифосфат; вітаміну В2 - флавінмононуклеотид (ФМН); вітаміну В6 - піридоксальфосфат, піридоксамінфосфат; пантотенової
кислоти - коензим А; вітаміну В12 - метилкобаламін, дезоксиаденозилкобаламін; вітаміну Н (біотину) - карбоксибіотин; фолієвої
кислоти - тетрагідрофолієва кислота; - динуклеотиди (похідні нікотинаміду - НАД, НАДФ; похідна рибофлавіну - ФАД); - нуклеотиди похідні пуринів та піримідинів (АТФ, АДФ, ЦТФ, ЦДФ, УТФ, УДФ); - комплекси порфіринів з іонами металів.
5.
Коферменти: типи реакцій, які каталізують окремі класи коферментів. (стор 92)
За типом реакції,яку каталізують коферменти,їх поділяють на:
1)Коферменти,що є переносниками атомів водню та електронів
2)Коферменти,що є перенесониками різних хімічних груп
3)Коферменти синтезу,ізомеризації та розщеплення вуглець-вуглецевих зв*язків
6.
Ізоферменти, особливості будови та функціонування, значення в діагностиці захворювань.
Ізоферменти (ізоензими; ізозими) – множинні молекулярні форми одного й того ж ферменту. Ізоферменти каталізують одну й ту ж
біохімічну реакцію, але розрізняються за своєю первинною структурою і, відповідно, фізико-хімічними (молекулярною масою,
рухомістю при електрофорезі тощо) та каталітичними (різною спорідненістю ферменту із субстратом - Кm ) властивостями. Різні
ізоферменти одного й того ж ферменту можуть бути присутні в різних органах і тканинах (ізоферменти лактатдегідрогенази),
субклітинних структурах (мітохондріальний та цитозольний ізоферменти ізоцитратдегідрогенази). В разі, якщо фермент, що
представлений ізоферментними формами, має олігомерну будову, його ізоферменти формуються за рахунок різних комбінацій
неідентичних протомерів. Прикладом такого ізоферментного сімейства можуть бути ізоферменти лактатдегідрогенази (ЛДГ) ферменту, що каталізує оборотну реакцію перетворення піровиноградної кислоти в молочну. За своєю молекулярною будовою ЛДГ є
тетрамером, що побудований із протомерів двох типів: Н (серцевого - heart, англ.) та М (м'язового - muscle). В організмі людини
присутні п'ять комбінацій зазначених протомерів, які створюють різні ізоферменти ЛДГ: ЛДГ1 (Н4), ЛДГ2 (Н3М1), ЛДГ3 (Н2М2),
ЛДГ4 (Н1М3) та ЛДГ5 (М4). Вони розподілені переважно в різних органах (міокарді, печінці, скелетних м'язах, нирках тощо). Ці
ізоферменти розрізняються за своєю електрофоретичною рухомістю і їх визначення в плазмі крові має діагностичне значення для
виявлення пошкоджень мембранних структур клітин, що спостерігаються при різних захворюваннях. Зокрема, при інфаркті міокарда
збільшується концентрація в плазмі ізоферменту ЛДГ1, а при інфекційному та токсичному гепатиті - ізоформ ЛДГ4 та ЛДГ5,
характерних для клітин печінки.
7.
Механізми дії та кінетика ферментативних реакцій: залежність швидкості реакції відконцентрації субстрату, рН та
температури.
Залежність швидкості реакції від концентрації ферменту та субстрату. Швидкість ферментативної реакції буде прямо пропорційно
залежати від концентрації ферменту, а саме: V = k [E], тобто збільшення в клітині рівня певного ферментного білка повинно
супроводжуватися зростанням швидкості реакції, що каталізується цим ферментом. Складнішою є залежність швидкості
ферментативної реакції від концентрації субстрату. Графічно ця залежність зображується гіперболою. Як видно з ходу гіперболи, ця
залежність має складний характер: при низьких концентраціях субстрату швидкість реакції прямо пропорційна його концентрації
(реакція першого порядку), а при високих концентраціях досягається ефект насичення, тобто незалежність V від [S]. Рівняння
залежності V від [S], або рівняння Міхаеліса - Ментен: Залежність швидкості реакції від рН та температури. Кожен фермент має свій
рН-оптимум, тобто значення рН середовища, при якому його каталітична активність максимальна. "Дзвоноподібна" залежність
активностей ферментів від змін рН визначається їх білковою природою, зсувами в дисоціації іоногенних груп та (при екстремальних
значеннях рН) розвитком конформаційних змін молекул. Більшість внутрішньоклітинних та тканинних ферментів організму людини
найактивніші в нейтральному, слаболужному або слабокислому середовищі (зазвичай у межах рН між 5,0 та 9,0). Ферментами з
оптимумами при екстремальних значеннях рН є пепсин (рН = 1-2) і аргіназа (рН = 10-11). Вплив температури на активність ферментів.
Ферменти, відповідно до своєї білкової природи, є термочутливими та термолабільними утвореннями: - зростання температури до
оптимальних значень (для більшості ферментів - у межах 37-40 °С) супроводжується збільшенням швидкості ферментативної реакції
відповідно за рівнянням Арреніуса (за рахунок частіших ефективних зіткнень між молекулами); ступінь збільшення швидкості реакції
при зростанні t на 10 °С позначають як температурний коефіцієнт Q10; - при збільшенні температури вище оптимального значення
швидкість ферментативної реакції різко зменшується за рахунок конформаційних (денатураційних) змін у структурі ферментного білка.
8.
Активатори та інгібітори ферментів: приклади та механізми дії.
Активування ферментів. Речовини, які підвищують активність ферментів, одержали назву активаторів. Присутність активатора вкрай
важлива для ферменту. До активаторів належать кофактори, іони металів, різноманітні модифікатори тощо. Субстрат у певних межах
концентрацій є активатором - після досягнення насичених концентрацій субстрату активність ферменту не зростає. Субстрат полегшує
формування потрібної конформації активного центру ферменту (індукція), підвищує його стабільність. Досить часто роль активаторів
виконують іони металів: вони можуть входити до складу каталітичної ділянки активного центру ферменту; сприяти зв'язуванню
субстрату з посадочною ділянкою ферменту (зв'язуючий місток); іноді метали можуть сполучатися не з ферментом, а із субстратом,
утворюючи металосубстратний комплекс, на який краще діє фермент; вони можуть діяти непрямим шляхом, зв'язуючи присутній
інгібітор тощо. Активація деяких ферментів може здійснюватися шляхом приєднання до алостеричного центру ферменту якої-небудь
специфічної модифікуючої групи, що сприяє змінюванню конформації ферменту і його активного центру. Прикладами можуть бути
іони хлору, які є активаторами амілази слини; іони водню, які підвищують активність пепсину; жовчні кислоти, які посилюють дію
ліпази підшлункової залози; лужна фосфатаза може активуватися катіонами. Активація деяких ферментів (особливо тих, що
виробляються в шлунково-кишковому тракті) може відбуватися протеолітичним шляхом. Спочатку ферменти виробляються в
неактивній формі у вигляді проферментів або зимогенів (попередників ферментів), у яких активний центр замаскований додатковою
ділянкою пептидного ланцюга. Внаслідок цього субстрат не може з'єднатися з активним центром. Видалення такої додаткової ділянки
може відбуватися різними шляхами і сприяє звільненню активного центру та можливості утворення фермент-субстратного комплексу.
Наприклад, проферментом пепсину є пепсиноген, який виробляється в стінках шлунка. Відщеплення від його молекули невеликого
пептидного ланцюга за участю соляної кислоти в шлунку призводить до утворення пепсину і формування його активного центру.
Профермент трипсиноген утворюється в підшлунковій залозі, до складу його поліпептидного ланцюга входить 229 амінокислотних
залишків. У дванадцятипалій кишці під впливом ферменту ентерокінази розривається пептидний зв'язок між 6 і 7 амінокислотними
залишками і відщеплюється гек-сапептид. Після відщеплення гексапептиду створюються умови, які сприяють утворенню активного
центру ферменту, і трипсиноген перетворюється в трипсин. Цей же процес може здійснюватися аутокаталітично, тобто під впливом
уже утворених трипсину і пепсину - у випадку пепсиногену. Інгібітори ферментів. Інгібітори - хімічні сполуки, що зменшують
каталітичну активність ферментів. Навідміну від речовин, які інактивують ферменти за рахунок їх денатурації (концентровані кислоти
та луги, солі важких металів у високих концентраціях), дія інгібіторів є специфічною стосовно певних ферментів або груп ферментів,
вони мають низьку концентрацію. За допомогою інгібіторів отримують цінну інформацію про специфічність дії ферментів, природу
функціональних груп їх активних центрів, про механізм дії і т. ін.
9.
Типи інгібірування ферментів: зворотнє(конкурентне, неконкурентне) та незворотнє інгібування.
Залежно від характеру змін, що відбуваються в молекулі ферменту, розрізняють: 1) оборотне інгібування, що описується таким
рівнянням взаємодії ферменту з інгібітором І: 2) необоротне інгібування: Оборотне інгібування ферментів, залежно від механізму
взаємодії ферменту з інгібітором, поділяється на конкурентне та неконкурентне. Конкурентне інгібування спричиняють ліганди, що за
своєю хімічною структурою близькі до субстрату і взаємодіють із тим самим активним центром на молекулі ферменту, що і субстрат,
утворюючи комплекс ЕІ: Класичним прикладом конкурентного інгібітора є малонова кислота яка про тидіє зв'язуванню активним
центром ферменту сукцинатдегідрогенази справжнього субстрату - бурштинової кислоти (сукцинату). Конкурентне інгібування
викликають різні антиметаболіти, тобто сполуки, близькі за будовою до справжніх клітинних метаболітів: антивітаміни; речовини,
близькі до амінокислот, пуринових та піримідинових основ і нуклеотидів. У зв'язку з високою біологічною активністю деякі
антиметаболіти застосовують як антибактеріальні засоби (сульфаніламіди, антибіотики), протипухлинні препарати. Конкурентне
інгібування ферменту можна перебороти за рахунок підвищення концентрації субстрату в інкубаційному середовищі. Неконкурентні
інгібітори не мають структурної подібності до субстрату. Вони реагують з іншими, відмінними від активних центрів, ділянками на
молекулі ферменту і можуть зв'язуватися не тільки з вільним ферментом, а й із фермент-субстратним комплексом: . Приєднання
неконкурентного інгібітора до ферменту зменшує його активність (максимальну швидкість реакції (V ), але не впливає на спорідненість
ферменту із субстратом. Неконкурентними інгібіторами є іони важких металів (Cu2+, Hg2+, Ag+) та їх похідні, що оборотно
зв'язуються із SH-групами цистеїну в молекулах ферментів. Необоротне інгібування ферментів - процес, що відбувається внаслідок
руйнування або необоротної хімічної модифікації однієї чи декількох функціональних груп ферменту. Необоротні інгібітори мають
властивості клітинних отрут. Прикладом такої модифікації молекули ферменту є дія алкілуючих агентів (зокрема, йодацетаміду), що
необоротно реагують із каталітично активними SH-групами: Практично важливим прикладом необоротного інгібування ферменту
шляхом ковалентного зв'язування інгібітора з активним центром є вплив фосфорорганічних сполук (ФОС) на активність ферменту
ацетилхолінестерази (АХ-естерази). Препарати ФОС є високотоксичними отрутами відносно комах (пестициди) та теплокровних
тварин, механізм антихолінестеразного ефекту яких полягає у взаємодії з ОН-групою серину в активному центрі ферменту.
10.
Регуляція ферментативних процесів. Шляхи та механізми регуляції: алостеричні ферменти; ковалентна модифікація
ферментів.
Існують два принципових шляхи регуляції інтенсивності, або швидкості біохімічних ферментативних реакцій: А - через зміну
каталітичної активності ферменту. Б - через зміну кількості ферменту (або ферментів), що визначають перебіг ферментативного
процесу. А. Перший шлях регуляції передбачає наявність у ферментному пулі клітини спеціальних регуляторних ферментів, які
містяться звичайно на головних, ключових ланках метаболізму. Цей шлях забезпечує термінову адаптацію ферментного апарату
організму і реалізується протягом декількох секунд або хвилин - механізм "швидкого реагування". Існують чотири основних механізми
регуляції каталітичної активності ферментів (L. Stryer, 1995): 1. Алостерична регуляція активності ферментів. 2. Регуляція активності
ферментів за рахунок їх ковалентної модифікації. 3. Активація ферментів шляхом обмеженого протеолізу. 4. Активація та гальмування
активностей ферментів за допомогою особливих регуляторних білків. Алостеричні ферменти - це різновид регуляторних ферментів,
що, крім активного центру, мають додатковий регуляторний (алостеричний) центр, з яким взаємодіють алостеричні регулятори
(ефектори, модулятори). Алостеричні ефектори можуть бути як позитивними, тобто такими, що збільшують каталітичну активність
ферменту (алостеричні активатори), так і негативними, тобто такими, що її гальмують (алостеричні інгібітори). За своєю молекулярною
будовою алостеричні регуляторні ферменти складаються, як правило, з декількох поліпептидних ланцюгів, тобто мають четвертинну
структуру. Активний та регуляторний (алостеричний) центри локалізуються на різних білкових субодиницях - каталітичній ті
регуляторній, відповідно. Модифікація каталітичної активності такого ферменту здійснюється шляхом передачі на каталітичні
субодиниці конформаційних змін із регуляторних субодиниць, які відбуваються в останніх після взаємодії з лігандами - ефекторами.
Ковалентна модифікація ферментів. Постсинтетична ковалентна модифікація ферментних білків є одним із поширених механізмів
контролю за перебігом метаболічних процесів. Шляхами такої модифікації є оборотне фосфорилування-дефосфорилування (найбільш
поширений механізм регуляції), метилування, аденілування, АДФ-рибозилування білків-ферментів. Б. Другий шлях регуляції є
механізмом довготривалої адаптації ферментного апарату. Для його включення і повної реалізації необхідно декілька годин або діб.
11.
Циклічні нуклеотиди (цАМФ, цГМФ) як регулятори ферментативних реакцій та бологічних функцій клітини.
Важливою та поширеною біологічною системою контролю за ферментативними реакціями, що поєднує в собі різні молекулярні
механізми регуляції, є система циклічних нуклеотидів. Циклічні нуклеотиди 3',5'-АМФ (цАМФ) та 3',5' ГМФ (цГМФ) - це внутрішні
(3'5' дифосфорні ефіри аденілової (АМФ) та гуанілової (ГМФ) кислот. Найбільш поширеними є цАМФ-залежні системи контролю за
внутрішньоклітинними біохімічними процесами, зокрема за такими, що підлягають нейрогуморальній регуляції з боку цілісного
організму, яка реалізується гормонами та нейромедіаторами. Регуляція ферментативних процесів за участю цАМФ включає декілька
послідовних стадій передавання і трансформації хімічного (регуляторного) сигналу. 1. Утворення циклічних нуклеотидів у реакціях, що
каталізуються ферментами циклазами: аденілатциклазою та гуанілатциклазою з нуклеозидтрифосфатів АТФ та ГТФ, відповідно:
Розщеплення цАМФ та цГМФ до звичайних, нециклічних нуклеозидмонофосфатів каталізується фосфодіестеразою циклічних
нуклеотидів. Фермент аденілатциклаза розміщений у плазматичних мембранах клітин і його активація відбувається в результаті
взаємодії з рецепторами мембран певних фізіологічно активних сполук, зокрема гормонів адреналіну, глюкагону тощо. 2. Активація
циклічним АМФ протеїнкіназ, функцією яких є фосфорилування інших ферментних білків. Ці цАМФ-залежні протеїнкінази є
регуляторними ферментами, що активуються цАМФ за механізмом алостеричного контролю.
12.
Ензимопатії – уроджені (спадкові) вади метаболізму вуглеводів, амінокислот, порфіринів, пуринів.
Первинні, або спадкові, ензимопатії виникають унаслідок змін у генетичному коді синтезу ферментів. Причинами ферментативних
дефектів можуть бути: аномальна структура ДНК, порушення перенесення генетичного коду від ДНК до РНК, змінена структура РНК і
порушення в передачі інформації від РНК до рибосом. Крім того, причиною метаболічних розладів можуть бути генетично зумовлені
порушення співвідношення природних активаторів та інгібіторів ферментів. Причиною спадкових ензимопатій є мутації, що
виявляються характерними змінами в активності відповідних ферментів. При цьому ферментативна активність відсутня або знижена,
або (дуже рідко) підвищена. Можуть з’являтися патологічні ферменти, які в нормі не трапляються. 1. Галактоземії (дефіцит галактозо1-фосфатуридилтрансферази, або галактокінази). При цій патології відбувається накопичення в крові й тканинах галактозо-1-фосфату,
вільної галактози та спирту дульциту продукту відновлення галактози. Високий їх уміст діє токсично, у немовлят після споживання
молока спостерігають блювання й пронос, збільшується печінка, розвивається катаракта, затримується розумовий розвиток. 2.
Фруктоземії (дефіцит фруктозодифосфатальдолази, або фруктокінази). Генетичний дефект альдолази фруктозо-1-фосфату зумовлює
істотні порушення в обміні вуглеводів, гіпоглікемію, ураження печінки. 3. Глікогенози: I тип, гепаторенальний глікогеноз, хвороба
Гірке (дефіцит глюкозо-6-фосфатази). II тип, генералізований глікогеноз, хвороба Помпе (дефіцит кислої 1,4-а-глюкозидази).
Спостерігають збільшення розмірів серця (кардіомегалія) з гіпотонією та серцево-легеневою недостатністю. Смерть настає в дитячому
віці. III тип, нирково-м’язовий глікогеноз, хвороба Корі (дефіцит аміло-1,6-глюкозидази). IVтип, печінково-циротичний ендотеліальний
глікогеноз, хвороба Андерсена (дефіцит 1,4-а-глюкан-6-а-глюкозилтрансферази). У хворих спостерігають гепатомегалію та
спленомегалію, печінкову недостатність. V тип, м’язовий глікогеноз, хвороба Мак-Ардля (дефіцит м’язової фосфорилази). 4.
Непереносність дисахаридів Аглікогеноз (дефіцит глікогенсинтетази) характеризується гіпоглікемією з судомами, блюванням,
порушенням розумового розвитку. 5.Мукополісахаридози, різні типи (дефіцит глюкуронозилдисульфоглюкозамінглюкуронідази,
сульфатази, N-ацетилгексозамінідази, ідуронідази, N-ацетилглюкозаміні дази). 6. Гемолітичні анемії, зумовлені дефіцитом ферментів
обміну вуглеводів в еритроцитах. 7. Муковісцидози (дефіцит ферментів обміну глікопротеїнів). Спадкові захворювання, що
характеризуються ушкодженням залоз внутрішньої секреції, патологічними змінами органів дихання й травлення, наявністю в’язкого
слизу у вивідних протоках екзокринних залоз (переважно підшлункової та бронхіальних). 1. Еритропоетичні порфірїі: а) природжена
еритропоетична порфіріл, або хвороба Гюнтера (дефіцит уропорфіриноген ІІІ-косинтази). У результаті цього біохімічного дефекту
відбувається утворення нефізіологічного ізомера уропорфіриногену — уропорфіриногену І. Для цієї патології характерне забарвлення
сечі у червоний колір (зумовлене накопиченням нирками уропорфіриногену І, може бути забарвлення кісток і зубів; б) еритропоетична
копропорфірія (дефіцит ферменту копропорфіриногеноксидази). Клінічні прояви такі самі, як і при еритропоетичній протопорфірії.
Уміст протопорфірину в еритроцитах зростає у 30—80 разів порівняно з нормою; в) еритропоетична протопорфірія (дефіцит
ферохелатази). Спостерігають підвищену чутливість до сонячного випромінювання (набряк, свербіж, почервоніння шкіри), у разі
тривалого перебування на сонці — геморагічні висипи. В еритроцитах уміст протопорфірину IX зростає у 20—100 разів. Спадкові
порушення біосинтезу порфіринів (порфіри) - дефекти метаболізму (ензимопатії), за яких порфірини та їх попередники в надмірних
кількостях накопичуються в тканинах людського організму, зокрема в шкірі і підшкірній клітковині, та екскретуються з сечею і
фекаліями. а) піролопорфірія, або гостра переміжна порфірія (дефіцит уропорфіриногенсинтази); підвищена активність 5-АЛКсинтетази. Вияляється в ранньому дитячому віці. Характеризується нападами гострого болю в животі з диспепсією, лейкоцитозом,
поліневритами, галюцинаціями. З сечею виділяється значна кількість порфобіліногену, а також 5-АЛК. Сеча таких хворих має червоне
забарвлення; б) спадкова копропорфірія (дефіцит копропорфіриногеноксидази); у сечі й кал: значно зростає кількість копропорфірину.
Захворювання характеризується неврологічною симптоматикою, як і при гострій переміжній порфірії. Одночасно спостерігаються
шкірні симптоми: набряк, везикули, склеродермія; в) природжена пізня шкірна порфірія (дефіцит копропорфіриногеноксидази).
Захворювання характеризується вираженою шкірною симптоматикою, яка виявляється у віці після 40 років; г) змішана природжена
порфірія (дефіцит ферохелатази й уропорфіриногендекарбоксилази). Ензимопатії при обміні білків 1. Фенілпіровиноградна олігофренія
(дефіцит фенілаланін-4-монооксигенази. Відсутність у печінці фенілаланін-4-монооксигенази призводить до розвиту фенілкетонурії. 2.
Алкаптонурія (дефіцит гомогентизинат-1,2-діоксигенази). Це спадкове захворювання розвивається внаслідок генетичного дефекту
гомогентизинат-1,2-діоксигенази — ферменту катаболізму фенілаланіну. 3. Тирозиноз, тирозинеміяі типу (дефіцит
фумарилацетоацетатгідролази), тирозинемія II типу (синдром Ріхнера—Ханхарта) і тирозинемія новонароджених (транзиторна
тирозинемія). 4. Альбінізм (дефіцит тирозинази) — молекулярна хвороба. Спадкова відсутність тирозинази призводить до альбінізму.
5.
Гіперамоніємія
(дефіцит
ферментів
синтезу
сечовини:
карбамоїлфосфатсинтази,
аргініносукцинатліази,
орнітинкарбамоїлтрансферази, аргініносукцинатсинтетази, аргінази). 6. Гіпергістидинемія (дефіцит гістидинази). Це спадкове
захворювання виникає внаслідок відсутності гістидинази, що каталізує окисне дезамінування гістидину.
13.
Ензимодіагностика патологічних процесів та захворювань.
Для ранньої діагностики низки захворювань використання ферментів виявилося інформативнішим порівняно з іншими біохімічними
тестами. Так, зміну активності аланінамінотрансферази, аспартатамінотрансферази, альдолази при інфекційному гепатиті у більшості
хворих виявляють значно раніше, ніж інші біохімічні показники (тимолова проба, вміст білірубіну, білкових фракцій тощо).
Підвищення активності лужної фосфатази при рахіті, креатинфосфокінази, аспартатамінотрансферази — при інфаркті міокарда
використовують для ранньоїдіагностики цих захворювань. При багатьох захворюваннях зміна активності ферментів може бути
настільки специфічною, що є одним із вирішальних критеріїв під час установлення діагнозу. Переконливим прикладом може бути
використання сорбітолдегідрогенази для діагностики печінкових і обтураційних жовтяниць, креатинфосфокінази та
аспартатамінотрансферази — для диференціації інфаркту міокарда й стенокардії. Нерідко активність ферментів змінюється ще до
прояву клінічних ознак загострення. Наприклад, підвищення активності аланінамінотрансферази передує збільшенню вмісту
білірубіну, погіршенню самопочуття хворого. Це допомагає своєчасно розпізнати ускладнення і змінити терапевтичну тактику.
Ферменти успішно використовують у клінічній практиці для оцінювання ефективності лікування, прогнозу захворювання. Відсутність
зміни активності ферментів на тлі використання лікарських та інших методів лікування свідчить про низьку їх ефективність. Так,
визначення активності амінотрансфераз у сироватці крові достовірніше відображує ступінь репаративних процесів у печінці при
гепатиті порівняно із вмістом білірубіну. Багато ферментів використовують у клініці для прогнозування перебігу захворювання.
Наприклад, стійке зниження активності холінестерази при хронічному гепатиті свідчить про прогресування процесу й ускладнення
захворювання. Різке зниження активності амінотрансфераз на тлі зростання вмісту білірубіну (ферментно-білірубінова дисоціація)
свідчить про виснаження тканинних джерел ферментів за рахунок тяжкого ушкодження паренхіми печінки, що визначає відповідний
прогноз. Перспективним для ферментодіагностики є дослідження ізоферментів. Доведено, що в разі ушкодження тканин ізоферменти
надходять у кров та інші біологічні рідини і їхній ізоферментний спектр стає близьким до тканинного, що покладено в основу
використання ізоферментів у діагностиці. Знаючи топографію ізоферментів у клітині, особливості їх тканинних і сироваткових
спектрів, можна встановити локалізацію патологічного процесу. Дослідження ізоферментів має переваги перед визначенням загальної
активності ферментів, оскільки їм властиві одночасно висока чутливість і специфічність. Ізоферментні спектри широко
використовують для діагностики різних видів патології, насамперед у гепатології, кардіології, при захворюваннях нирок, підшлункової
залози, легенів, скелетних м’язів, в онкології, гематології тощо.
14.
Ензимотерапія – застосування ферментів, їх активаторів та інгібіторів в медицині.
Ензимотерапія — використання ферментів як лікарських засобів проводиться переважно в разі нестачі в організмі якогось ферменту,
коферменту або як допоміжний засіб при деяких захворюваннях. Засоби замісної терапії використовують досить давно. Передусім це
ферменти шлункового соку (пепсин, абомін) та підшлункової залози (панкреатин), а також багатокомпонентні препарати, що містять у
своєму складі ферменти, які чинять комплексний вплив на білки, жири, вуглеводи (фестал, панзинорм, дигестал, онотон, ктазим,
комбіцин). їх застосовують для поліпшення функціонального стану травного каналу та нормалізації процесів травлення. Вобензим.
Препарат є спеціально підібраною комбінацією ферментів з імуномодулювальним, протинабряковим і певною мірою фібринолітичним
впливом. Він чинить загальнотерапевтичну дію при запальних процесах, обмежує патологічні прояви автоімунних продуктів обміну
речовин і некротизованих тканин, розсмоктує гематоми, нормалізує проникність судинних стінок, густину крові й тим самим поліпшує
мікроциркуляцію. Препарат застосовують для лікування синуситу, бронхіту, бронхопневмонії, панкреатиту, виразкового коліту,
хвороби Крона, розсіяного склерозу, ІХС, ревматоїдного артриту; Аспарагіназа виявляє антилейкемічну активність. Протипухлинний
ефект зумовлений здатністю аспарагінази каталізувати гідроліз амінокислоти аспарагіну, необхідної лейкозним клітинам для їх
розвитку: дефіцит аспарагіну впливає на клітинні мембрани, що істотно полегшує транспорт білків і поліпептидів крізь мембрани
ракових клітин. Відомо, що клітини деяких злоякісних пухлин позбавлені здатності синтезувати аспарагін з інших сполук, оскільки в
них відсутня аспарагінсинтетаза. Цитохром С — фермент, що бере участь у процесах тканинного дихання. Ферум, який міститься в
його простетичній групі, зворотно переходить із окисненої форми у відновлену, у зв’язку з чим препарат прискорює перебіг окисних
процесів. Препарат застосовують для поліпшення тканинного дихання при асфіксії новонароджених, астматичних станах, хронічній
пневмонії, серцевій недостатності, ішемічній хворобі серця, інфекційному гепатиті, старечій дегенерації сітківки тощо. Велика група
лікарських засобів належить до регуляторів активності ферментів, передусім до їх інгібіторів. Необхідність у них виникає досить часто,
а саме: • у разі дефіциту фізіологічних інгібіторів, які виконують важливу для організму функцію — обмеження впливу ендогенних
ферментів, а інколи — його захисту від ушкоджувальної дії чужорідних ферментів, зокрема мікробного походження; • під час введення
з лікувальною метою ферментів у неадекватній дозі або в разі несприйняття введеного ферменту. Так, при передозуванні
тромболітичних препаратів (фібринолізину), активаторів плазміну (стрептокінази, урокінази) застосовують інгібітори протеолізу
(трасилол, амінокапронову кислоту тощо); • під час захворювань, у патогенезі яких певну роль відіграє гіперфункція ферментів,
пов’язана з неадекватною їх активацією, аномальним викидом у кров і тканини (механічні, термічні й хімічні травми, інфекційна
патологія, тромбози та емболії тощо); • під час змін ферментного спектра, при патологічному переважанні однієї ізоформи ферменту
над іншою. У клінічній практиці з цією метою інгібітори широко використовують в онкології, оскільки пригнічення активності
ферментів пухлинних клітин — один із відомих напрямів створення лікарських препаратів для терапії онкопатології; • у разі потреби
викликати необхідну, найчастіше нефізіологічну, реакцію. На цьому принципі ґрунтується дія деяких регуляторів судинного тонусу
(інгібіторів тих ферментів, які беруть участь в утворенні ангіотензину II або катехоламінів), активаторів метаболічних процесів у
печінці, лікарських засобів, які пригнічують синтез простагландинів тощо. Інгібітори ферментів, потенційно придатні для застосування
в терапії, досить поширені в природі, їх також можна отримувати шляхом синтезу. Більшість інгібіторів тваринного й рослинного
походження, вивчені в експерименті чи клініці, є поліпептидами з молекулярною масою понад 5 000, тоді як мікробні інгібітори, як
правило, мають невелику молекулярну масу. Інгібітори, виділені з рослин і мікроорганізмів, належать переважно до простих білків, а
інгібітори тваринного походження часто містять у своєму складі вуглеводи. Наприклад, значна кількість інгібіторів протеаз тваринного
походження є глікопротеїнами. Для деяких рослинних інгібіторів характерний низький уміст ароматичних амінокислот. Слід зазначити,
що багато мікроорганізмів продукують хімічні сполуки, здатні впливати на ферментативні процеси в тканинах організмів тварин і
людини.
принципи та методи виявлення ферментів у біооб’єктах.Одиниці виміру активності та кількості ферментів.
15.
Оскільки кількість ферменту в біологічному об'єкті у більшості випадків визначити неможливо, для характеристики швидкості
біохімічної реакції, що каталізується певним ферментом, за умов сталості інших показників середовища (фізико-хімічних параметрів,
концентрації активаторів та інгібіторів) користуються значеннями активності ферменту. Активність ферменту - це умовна величина, що
прямо пропорційна швидкості біохімічної реакції, яку каталізує певний фермент. У свою чергу, як легко зрозуміти, швидкість
ферментативної реакції можна визначити або за кількістю субстрату (S), що перетворився за певний проміжок часу, або за кількістю
накопиченого за цей час продукту реакції (Р). У біохімічній практиці для кількісної характеристики реакцій, що каталізуються
ферментами, використовують умовні величини - одиниці ферменту. Загальновживаними є такі одиниці ферменту: 1. За одиницю
ферменту U (unit, англ.), що рекомендована Міжнародним біохімічним союзом (МБС), приймають таку його кількість, яка каталізує
перетворення 1 мкмоль субстрату за 1 хвилину: 2. При використанні одиниць системи СІ (SI) активність ферменту виражають у каталах
(кат). 1 Катал (кат) - така кількість ферменту, яка каталізує перетворення 1 моля субстрату за 1 с: 3. Розповсюдженою одиницею є
питома активність ферменту, яка визначається кількістю одиниць ферментної активності, що припадають на 1 мг білка в біологічному
об'єкті (U/мг білка). У медичній ензимології активність ферменту часто виражають в одиницях (U) на 1 л досліджуваної біологічної
рідини - сироватки крові, слини, сечі тощо (U/л).
Основні закономірності обміну речовин.
Цикл трикарбонових кислот.
1. Обмін речовин (метаболізм) – загальні закономірності протікання катаболічних та анаболічних процесів.
Метаболізм, що є найбільш характерною ознакою та неодмінною умовою існування будь-якої біологічної системи, поділяється на
анаболізм (асиміляцію, синтез) та катаболізм (дисиміляцію, розщеплення молекул). Катаболізм. Процеси катаболізму являють собою
сукупність реакцій розщеплення хімічних сполук, що надходять в організм у вигляді продуктів харчування та містять чужорідні
вуглеводи, ліпіди, білки тощо. Крім того, в будь-якій клітині постійно відбувається розщеплення власних біомолекул. Катаболізм є
екзергонічним процесом, тобто таким, що призводить до вивільнення хімічної енергії, яка частково використовується організмом в ході
анаболізму. Ця хімічна енергія звільняється в результаті реакцій окислення біомолекул - проміжних продуктів внутрішньоклітинного
розщеплення моносахаридів: переважно глюкози, жирних кислот, гліцерину та деяких амінокислот. Основні реакції біологічного
окислення, що вивільняють енергію, необхідну для процесів життєдіяльності, відбуваються в мітохондріях (саркосомах), у мембранах
яких локалізовані також складні ферментні та йонтранспортуючі системи, які реалізують накопичення енергії окислювальних процесів
у вигляді високоенергетичних (макроергічних) зв'язків АТФ. Анаболізм являє собою постійний синтез молекул та побудову структур
власного організму з органічних сполук, що надходять з навколишнього середовища у вигляді продуктів харчування та продуктів їх
перетворення (інтермедіатів). Процеси анаболізму є ендергонічними, тобто такими, що потребують витрат хімічної енергії, яка
постачається за рахунок реакцій катаболізму, переважно у формі молекул АТФ. Таким чином, живі організми за термодинамічними
закономірностями їх функціонування є не тепловими машинами, а хімічними машинами, тобто системами, в яких різні види роботи
здійснюються за рахунок хімічної енергії молекул, до того ж при сталій температурі (у людини близько 37 °С). При цьому джерелом
хімічної енергії для ендергонічних процесів синтезу та побудови нових клітинних структур є екзергонічні реакції біологічного
окислення, що відбуваються в електротранспортних ланцюгах мітохондрій та акумулюють цю енергію в ході окисного
фосфорилування.
2.
Спільні стадії внутрішньоклітинного катаболзму біомолекул: білків, вуглеводів, ліпідів.
У катаболізмі розрізняють три стадії: 1). Полімери перетворюються на мономери (білки - в амінокислоти, вуглеводи в моносахариди,
ліпіди - в гліцерин і жирні кислоти). Хімічна енергія при цьому розсіюється у вигляді тепла. 2). Мономери перетворюються на загальні
продукти, в переважній більшості в ацетил-КоА. Хімічна енергія частково розсіюється у вигляді тепла, частково накопичується у
вигляді відновлених коферментних форм (НАДН, ФАДН2), частково запасається в макроергічних зв'язках АТФ (субстратне
фосфорилювання). Перша і друга стадії катаболізму відносяться до специфічних шляхів, які унікальні для метаболізму білків, ліпідів і
вуглеводів. 3). Заключний етап катаболізму, зводиться до окислення ацетил-КоА до СО2 і Н2О в реакціях циклу трикарбонових кислот
(циклу Кребса) - спільний шлях катаболізму. Виділені атоми водню з'єднуються з НАД і ФАД і відновлюють їх. Після цього НАДН і
ФАДН2 переносять водень в ланцюг дихальних ферментів, розташований на внутрішній мембрані мітохондрій. Окислювальні реакції
загального шляху катаболізму пов'язані з ланцюгом тканинного дихання. При цьому енергія (40-45%) запасається у вигляді АТФ
(окисне фосфорилювання). В результаті специфічних та загальних шляхів катаболізму біополімери (білки, вуглеводи, ліпіди)
розпадаються до СО2, Н2О і NH3, які є основними кінцевими продуктами катаболізму.
3. Цикл трикарбонових кислот. Локалізація, послідовність ферментативних реакцій, значення в обміні речовин.
Цикл трикарбонових кислот (ЦТК) - це загальний кінцевий шлях окислювального катаболізму клітини в аеробних умовах. Реакції і
ферменти ЦТК локалізовані в матриксі та внутрішній мембрані мітохондрій. Вони функціонально та біохімічно спряжені з
мітохондріальними електроно- транспортними ланцюгами, що використовують для відновлення атомів кисню відновлювальні
еквіваленти від НАДН (НАДН2) та ФАДН2 або ФМНН2, і утворюють АТФ у ході окисного фосфоритування. Цикл починається з
взаємодії молекули ацетил-СоА з чотири вуглеводневою дикарбоновою кислотою-щавелевооцтовою (оксалоацетата), в результаті
утворюється шести вуглеводнева три карбонова кислота - лимонна. Далі йде серія реакцій, в ході яких відбувається вивільнення двох
молекул СО2 і регенерація оксалоацетата. Оскільки кількість оксалоацетата, необхідне для перетворення великого числа ацетильних
одиниць в СО2 досить невелика, можна вважати, що оксалоацетат виконує каталітичну роль. Цикл лимонної кислоти є механізмом, що
забезпечує вловлювання більшої частини вільної енергії, що звільняється в процесі окислення вуглеводів, ліпідів і білків. В процесі
окислення ацетил-СоА завдяки активності ряду специфічних дегідрогеназ відбувається утворення відновних еквівалентів у формі
водню або електронів. Останні надходять в дихальний ланцюг; при функціонуванні цього ланцюга відбувається окисне
фосфорилювання, тобто синтезується АТФ.
4.
Енергетичний баланс циклу трикарбонових кислот. Фізіологічне значення реакцій ЦТК.
Енергетичний
баланс
циклу
трикарбонових
кислот
Біохімічний підсумок циклу трикарбонових кислот полягає в утворенні двох молекул СО2 (в ізоцитратдегідрогеназній та αкетоглутаратдегідрогеназній реакціях) та чотирьох пар атомів водню, три з яких акцептуються НАД+ та одна — ФАД. Відновлені
коферменти окислюються в дихальному ланцюзі мітохондрій, утворюючи за рахунок окисного фосфорилювання по 3 молекули АТФ
на кожну молекулу НАДН і по 2 молекули АТФ на кожну молекулу ФАДН2. Крім того, одна молекула АТФ утворюється в
субстратному
фосфорилюванні
при
перетворенні
сукциніл-КоА
в
сукцинат.
Сумарний
1
2
3
4
5
баланс
молекул
Реакція
Ізоцитрат — а-кетоглутарат
а-кетоглутарат — сукциніл-КоА
Сукциніл-КоА — сукцинат
Сукцинат — фумарат
Малат — оксалоацетат
Усього
АТФ,
що
утворюються
при
функціонуванні
цитратного
Кофермент
Кількість молекул АТФ, що утворюються
НАД
НАД
ГДФ
ФАД
НАД
3
3
1
2
3
12
циклу
Таким чином, при повному окисленні однієї молекули ацетил-КоА до СО2 та Н2О в циклі трикарбонових кислот генерується 12
молекул АТФ.
5. Субстратне фосфорилювання ЦТК
Субстратне фосфорилювання – процес синтезу АТФ, який відбувається як результат окиснення субстратів без участі дихального
ланцюга мітохондрій. У цьому разі перетворення субстрату в продукт супроводжується фосфорилюванням АДФ з утворенням АТФ. В
організмі є три реакції субстратного фосфорилювання (дві – в гліколізі, одна – в ЦТК). Кожна з цих реакцій супроводжується
утворенням лише одної молекули АТФ. Цей процес можливий як в аеробних, так і анаеробних умовах і відбувається в цитоплазмі і
матриксі мітохондрій.
Молекулярні основи біоенергетики.
1.
Реакції біологічного окислення; типи реакцій (дегідрогеназні, оксидазні, оксигеназні) та їх біологічне значення.
Тканинне дирхання.
Р-ції біологічного окислення складають молекулярну основу тканинного дихання - поглинання О2 живими тканинами. Джерелом
кисню для цього процесу ж О2, кяий надходить в тканини за умов нормальної діяльності системи зовнішнього дихання та кисень
транспортувальної ф-ції гемоглобіну крові та через плазматичні мембрани дифундує всередину клітин. У результаті тканинного
дихання, яке відбувається мітохондріях, атоми кисню включаються в молекулу води, а вуглець біоорганічних сполук, що
окислюються, виділяється у формі двоокису вуглецю.
Усі окислювально-відновні р-ції, що відбуваються в живих клітинах, каталізуються ферментами з класу оксидоредуктаз.
Типи реакцій:
1)Р-ції, пов*язані з передаванням субстратом, що окислюється (SH2), певному акцептору (А), водню (тобто протонів та електорнів:
SH2 +А  S+АН2
Р-ції такого типу називаються реакціями дегідрування, а ферменти, що їх каналізують – дегідрогеназами.
2)Р-ції, що відбуваються з передаванням від субстрату до акцептора електронів (одного або двох):
Sе- +АS + АеР-ції такого типу каталізуються цитохромами дихального ланцюга мітохондрій.
3)Р-ції, що полягають у безпосередньому приєднанні до субстрату, який окислюється, одного або двох атомів кисню.
Такі р-ції дістали назву оксигеназних, а відповідні ферменти, що їх каналізують – оксигеназ. Залежно від к-сті атомів кисню, що
взаємодіють із субстратом, оксигеназні р-ції подіялють на:
-монооксигеназні
SH+ ½ О2 S-OH
-діоксигеназні
S+O2 SO2
2. Ферменти біологічного окислення в мітохондріях: піридин-, флавін-залежні дегідрогенази, цитохроми.
1) Піридинзалежні дегідрогенази
Коферментами цих дегідрогеназ є нуклеотидли НАД+ або НАДФ+, у структурі молекул яких міститься похідне піридину – нікотинамід.
Зв*язок між НАД+ (або НАДФ+) та білковою частиною ферменту (апоферментом) у складі піридин залежних дегідрогеназ нестійкий:
він утворюється та руйнується в процесі каталітичного циклу, що дозволяє вважвти нікотинамідні нуклеотиди скоріше субстратами,
ніж простетичними групами.
Р-ції, що каталізуються НАД(Ф)-залежними дегідрогеназами:
SH2 +НАД+S+НАДН+Н+
SH2+ НАДФ+S+ НАДФН+Н+
Активною структурою в молекулі НАД+ або НАДФ+ є піридинове кільце нікотинаміду. У ході ферментативної реакції субстрат
відщеплює 2 атоми водню (2Н++ 2е-), один з яких у формі гідрид-іону: Н-(тобто Н++2е-) приєднується до піридинового кільця НАД(Ф)+,
а другий у вигляді протону (іону Н+) надходить у реакційне середовище.
2) Цитохроми – залізовмісні білки мітохондрій, що належать до класу гемо протеїнів. У цитохромах іон заліза входить до складу
металопорфіринового комплексу (гемінове залізо). За рахунок оберненої зміни валентності гемінового заліза цитохроми виконують
функцію транспорту електронів у ланцюгах біологічного окислення в аеробних клітинах:
Цитохром (Fe3+) + е-  Цитохром (Fe2+)
Залежно від характерних особливостей спектрів поглинання, розрізняють три класи цитохромів (a,b,c). В ендоплазматичному
ретикулумі гепатоцитів містяться цитохром Р-450 та b5, що беруть участь у р-ціях окислювального гідроксилювання.
3) Флавінзалежні дегідрогенази
Дегідрогенази цього типу за хімічною природою є флавопротеїнами, простетичними групами, в яких є флавінаденіндинуклеотид
(ФАД) та флавінмононуклеотид (ФМН).
У більшості флавін залежних ферментів коферменти (ФАД та ФМН) міцно зв*язані з білковою частиною і не відщеплюються від неї на
жодній стадії каталітичного циклу. Виключенням є ФАД-залежна оксидаза D-амінокислот, у складі якої білок має низьку спорідненість
із коферментом.
Загальні рівняння окислення субстратів за участю флавін залежних дегідрогеназ:
SH2 +ФАДS+ ФАДН2
SH2+ФМН  S+ФМН-Н2
3.
Послідовність компонентів дихального ланцюга мітохондрій. Молекулярні комплекси внутрішніх мембран
мітохондрій.
Дихальний ланцюг мітохондрій - сукупність молекулярних компонентів (ферментів, коферментів, додаткових електроно-транспортних
білків), що здійснюють дегідрування органічних субстратів та послідовний перенос відновлювальних еквівалентів (протонів та
електронів) на кисень через ряд проміжних переносників - транспортерів протонів та електронів. Окремі білки та небілкові
переносники відновлювальних еквівалентів, які складають дихальний (електроно-транспортний) ланцюг, структурно об'єднані між
собою в надмолекулярні мультиензимні комплекси, вбудовані в ліпідний матрикс внутрішніх мітохондріальних мембран, що створює
стеричні умови, необхідні для ефективного перебігу окислювально-відновлювальних реакцій. До складу дихального (електронотранспортного) ланцюга мітохондрій входять чотири білкові комплекси (комплекси І, II, III та IV), що функціонують як переносники
протонів та електронів. До складу комплексів входять також залізо-сіркові білки, що містять іони негемового заліза (у вигляді FeS),
асоційовані з флавопротеїнами або цитохромом b. Крім білкових комплексів, у функціонуванні електроно-транспортних ланцюгів
беруть участь два рухомі переносники - убіхінон (коензим Q) та цитохром с.
Комплекси дихального ланцюга:
НАДН-коензим Q-редуктаза – ферментний комплекс (являє собою флавопротеїн, що містить ФМН), який окислює НАДН і передає
відновлювані еквіваленти на коензим Q (убіхінон); у складі НАДН-коензим Q-редуктази НАДН-дегідрогеназа асоційована з FeSбілками (так званий комплекс І)
Сукцинат-коензим Q-редуктаза – ферментний комплекс (ФАД-залежний флавопротеїн), який окислює сукцинат, відновлюючи коензим
Q; до складу комплексу входить флавопротеїн сукцинатдегідрогеназа, асоційована з FeS-білком (комплекс ІІ)
Коензим Q-цитохром с-редуктаза (убіхінолдегідрогеназа)-ферментний комплекс,що складається з цитохрому b, FeS-білка та цитохрому
с1; ферментний комплекс транспортує електрони з відновленого коензиму Q (QH2) на цитохром с (комплекс ІІІ).
Цитохром с-оксидаза – ферментний комплекс, що складється з цитохромів а та а3 (комплекс IV); комплекс здійснює кінцеву стадію
біологічного окислення – відновлення електронами молекулярного кисню; він містить іони міді, як і інші оксидази.
Окисне фосфорилювання: пункти спряження транспорту електронів та фосфорилювання, коефіцієнт окисного
фосфорилювання.
Окисне фосфорилювання – процес, шляхом якого хімічна енергія, що вивільняється під час транспортування електронів упродовж
дихального (електронотранспортного) ланцюга мітохондрій, уловлюється та використовується для синтезу аденозинтрифосфату (АТФ)
з аденозиндифосфату (АДФ) та неорганічного фосфату (Фн). Синтез АТФ з АДФ та неорганічного фосфату отримав назву спряження
дихання (електронного транспорту в мітохондріях)та окисного фосфорилювання.
Синтез однієї молекули АТФ з АДФ та Фн потребує витрат хімічної енергії, що дорівнюють + 7,3 ккал (+ 30,5 кДж). Очевидно, що
енергії, яка вивільняється за умов транспорту електронів у дихальному ланцюгу мітохондрій, достатньо для синтезу декількох молекул
АТФ. Безпосередніми біохімічними дослідженнями доведено, що за умов окислення субстратів через НАДН: коензим Q-редуктазу
утворюється 3 молекули АТФ, при дії сукцинат: коензим Q-редуктази - 2 молекули АТФ. Коефіцієнт окисного фосфорилування —
відношення кількості зв'язаного (етерифікованого) неорганічного фосфату (моль) до кількості поглинутого мітохондріями кисню
(моль) (позначається як Фн (Рi)/O) - кількісно дорівнює числу молекул АТФ, що утворюються при перенесенні двох відновлювальних
еквівалентів на один атом кисню, тобто АТФ/О –табл(стор 131)
Пункти спряження транспорту електронів та окисного фосфорилування Утворення АТФ з АДФ та Фн може відбуватися тільки в
певних ділянках електронотранспортного ланцюга мітохондрій, в яких величина хімічної енергії, що виділяється при транспортуванні
пари електронів між двома редокс-системами (компонентами дихального ланцюга), достатня для синтезу 1 молекули АТФ (тобто > 7,3
ккал, або 30,5 кДж).
Ділянки дихального ланцюга мітохондрій, де вивільнення хімічної енергії достатнє для синтезу молекули АТФ: Комплекс І (НАДН →
коензим Q) 12,2 ккал 51,0 кДж Комплекс III (цитохром b → цитохром с1) 9,9 ккал 41,4 кДж Комплекс IV (цитохром а3 → О2) 23,8 ккал
99,6 кДж Зазначені ділянки електронотранспортного ланцюга називаються пунктами спряження дихання (електронного транспорту) з
окисним фосфоритуванням.
4.
5.
Хеміосмотична теорія окисного фосфорилювання, АТФ-синтетаза мітохондрій.
Хеміосмотична теорія передбачає, що: 1. Функціонування дихального (електронотранспортного) ланцюга у внутрішніх (спрягаючих)
мембранах мітохондрій супроводжується генерацією на цих мембранах електрохімічного градієнта протонів (Н+). 2. Окремі
компоненти електронотранспортного ланцюга діють як протонні помпи, що спричиняють векторний (перпендикулярний площині
мембрани) транспорт протонів, спрямований у напрямку "матрикс → зовнішня поверхня мембрани" Спроможність мітохондріальних
переносників електронів до транслокації протонів через мембрану зумовлюється особливостями їх внутрішньомембранної топографії.
Вважають, що дихальний ланцюг укладений у спрягаючій мембрані у вигляді трьох окислювально-відновлювальних "петель", що
відповідають трьом комплексам переносу електронів - І, III та IV і транспортують два іони Н+ з матриксу в зовнішнє середовище. 3.
Електрохімічний потенціал протонів на спрягаючих мембранах, який створюється завдяки дії протонних помп дихального ланцюга, є
рушійною силою синтезу АТФ з АДФ та Фн. 4. Існує ферментна система, що використовує енергію електрохімічного протонного
потенціалу для синтезу АТФ за рахунок зворотної транслокації протонів через мітохондріальну мембрану в напрямку "зовнішня
поверхня → матрикс". Ця ферментна система, яка замикає протонний цикл на спрягаючих мембранах мітохондрій - протонна АТФаза,
або АТФ-синтетаза. АТФ-синтетаза є білком з четвертинною структурою, що складається з декількох білкових субодиниць, які
утворюють компоненти F0 та F1. 5. Будь-які фізичні, хімічні та біологічні фактори, що пошкоджують цілісність спрягаючих мембран
мітохондрій та розсіюють енергію електрохімічного градієнта, порушують синтез АТФ, тобто виступають як роз'єднувачі транспорту
електронів та окисного фосфорилування. Таким чином, згідно з хеміосмотичною теорією, спряження між переносом електронів в
дихальному ланцюгу та синтезом АТФ здійснюється за рахунок утворення при функціонуванні протонних помп градієнта концентрації
Н+ між двома поверхнями мітохондріальної мембрани. АТФ-синтетаза, транспортуючи протони у зворотному напрямку (за
електрохімічним градієнтом) призводить до вивільнення хімічної енергії, за рахунок якої утворюються макроергічні зв'язки АТФ.
6.
Інгібітори транспорту електронів та роз'єднувачі окисного фосфорилювання.
Певні хімічні сполуки здатні специфічним чином порушувати електронний транспорт (інгібітори електронного транспорту) та окисне
фосфорилування (інгібітори та роз'єднувачі окисного фосфорилування) в мітохондріях. Дані сполуки взаємодіють з певними
компонентами дихального ланцюга або системи окисного фосфорилування, порушуючи їх біохімічні функції. Інгібітори електронного
транспорту Сполуки цього класу порушують функціонування дихального ланцюга мітохондрій за рахунок зв'язування з окремими
ферментними білками або коферментами, що беруть безпосередню участь у переносі електронів від субстратів біологічного окислення
на O2. При надходженні в організм людини або тварин ці речовини діють як клітинні отрути, спричиняючи феномен тканинної гіпоксії.
Ротенон - інгібітор транспорту електронів через НАДН:коензим Q-редуктазний комплекс. Ротенон застосовується як інсектицид.
Амобарбітал (амітал) та близький до нього за структурою секобарбітал (секонал). Ці похідні барбітурової кислоти (барбітурати)
застосовуються у фармакології як снодійні засоби. Разом з тим, барбітурати, подібно до ротенону, є активними інгібіторами клітинного
дихання, блокуючи електронний транспорт на рівні НАДН:коензим Q-редуктази. Пієрицидин А - антибіотик, що також блокує
НАДН:коензим Q-редуктазний комплекс за рахунок конкурентної взаємодії з убіхіноном. Антиміцин А - антибіотик, що блокує
дихальний ланцюг мітохондрій на рівні переносу електронів через комплекс III (цитохром b - цитохром с1). Ціаніди (іони CN-) потужні клітинні отрути, що є інгібіторами транспорту електронів на термінальній ділянці дихального ланцюга мітохондрій (у
цитохромоксидазному комплексі). Іони CN- утворюють комплекси з фери (Fе3+)-формою молекул гему цитохромоксидази, блокуючи
їх відновлення до феро (Fе2+)-форм. Монооксид вуглецю (CO) - інгібує цитохромоксидазу шляхом зв'язування з ділянкою гема, що
взаємодіє з молекулою кисню. Інгібітори окисного фосфорилування Інгібітори окисного фосфорилування блокують як окислення
субстратів, так і фосфорилування АДФ у мітохондріях. Олігоміцин - антибіотик, що протидіє як фосфорилюванню АДФ до АТФ, так і
стимуляції поглинання O2, що спостерігається після додавання до мітохондрій АДФ (феномен "дихального контролю"). Механізм дії
олігоміцину полягає в інгібуванні функції АТФ-синтетази. Роз'єднувачі окисного фосфорилування Сполуки цього класу спричиняють
"неконтрольоване" дихання мітохондрій, яке не залежить від функціонування системи фосфорилування АДФ. В присутності
роз'єднувачів спостерігається активне поглинання мітохондріями О2, незважаючи на зниження швидкості (або відсутність) генерації
АТФ з АДФ та Фн. Згідно з хеміосмотичною теорією, роз'єднувачі спричиняють втрату мембраною протонного потенціалу - рушійної
сили генерації макроергічних зв'язків АТФ. До роз'єднувачів окисного фосфорилування належать: - 2,4-динітрофенол та сполуки,
близькі до нього за хімічною структурою (динітрокрезол, пентахлорфенол); - карбонілціанід-м-хлорфенілгідразон - сполука, що в 100
разів перевищує за специфічною активністю 2,4-динітрофенол. Здатність роз'єднувати дихання та окисне фосфорилування в
мітохондріях мають також гормони щитовидної залози (тироксин, трийодтиронін). Порушення синтезу АТФ спостерігається в умовах
дії на організм людини і тварин багатьох патогенних факторів хімічного (природні та синтетичні токсини), біологічного та фізичного
(іонізуюча радіація) походження, які спричиняють роз'єднання дихання та окисного фосфорилування за рахунок порушення
спроможності створювати і підтримувати протонний потенціал на спрягаючих мембранах мітохондрій.
7. Мікросомальне окислення: цитохром Р-450; молекулярна організація ланцюга переносу електронів.
У мембранах ендоплазматичного ретикулуму печінки, в мітохондріях і мікросомах кори надниркових, статевих залоз та інших тканин
локалізовані ферментні системи, які каталізують монооксигеназні реакції, коли один атом молекули кисню включається в субстрат, а
другий – у молекулу води. Оскільки найчастіше субстрат у монооксигеназних реакціях гідроксилюється, цю групу ферментів
називають також гідроксилазами. Донором воднів для утворення Н2О замість НАДФН може бути НАДН, ФМНН2, ФАДН2. Головний
компонент монооксигеназ – цитохром Р-450 – названий так тому, що комплекс його відновленої форми з монооксидом вуглецю (II) має
максимум поглинання світла при 450 нм. Цитохром Р-450 містить протогем і подібний до цитохромів групи b. Буква ―Р‖ в цитохромі Р450 походить від американського міста Philadelphia, де він вперше був відкритий. Існує велика кількість ізоформ цитохрому Р-450.
Оскільки в процесі один із атомів молекули кисню включається в молекулу води, а другий - в молекулу субстрату, що гідроксилюється,
ферментні системи, які каталізують ці реакції, отримали також назву "мікросомальних оксигеназ мішаної функції'' Ферментні системи,
що каталізують реакції мікросомального окислення гідрофобних речовин, являють собою електронотранспортні ланцюги, локалізовані
в мембранах ендоплазматичного ретикулуму гепатоцитів та клітин деяких інших органів тварин та людини, що також беруть участь у
реакціях детоксикації (кишечник, легені, шкіра, плацента тощо). Компонентами цих ферментних ланцюгів є ФАД-вмісний
флавопротеїн, цитохром b5 та кінцева монооксигеназа - цитохром Р-450: Подібний цитохром Р-450-залежний електронотранспортний
ланцюг каталізує реакції окислювального гідроксилування стероїдів (синтезу та біотрансформації), що відбуваються в мітохондріях
кори наднирників та статевих залоз.
Молекулярні механізми дії гормонів на клітини-мішені.
Гормони: загальна характеристика; роль гормонів та інших біорегуляторів у системі міжклітинної інтеграції функцій
організму людини.
Гормони – фізіологічно активні сполуки, біорегулятори, що продукуються залозами внутрішньої секреції (ендокринними залозами) або
іншими спеціалізованими клітинами і діють як регулятори метаболічних процесів та фізіологічних функцій в організмі.
«Справжні» гормони діють на віддалений чутливий орган. . До них належать: гормони гіпоталамуса та гіпофіза, гормони щитовидної
залози, гормони пара щитовидної залози, гормони ендокринних клітин підшлункової залози, гормони коркової частини наднирникових
залоз, гормони чоловічих та жіночих статевих залоз, гормони епіфіза.
Біологічно активні сполуки (біорегулятори) утворюються в тканинах і органах, що не належать до ендокринної системи. Вони
виробляються в не ендокринних залозах, а в спеціалізованих клітинах, що містяться в лейкоцитах, шлунку, сполучній тканині, нирках
тощо.
Тканинні гормони (гістогормони) – справляють вплив на клітини мішені на місці свого утворення (місцева дія, «ізокринна»), а справжні
гормони діють дистантно.
Риси біорегуляторі: - інформаційна функція, що спрямована на контроль, регуляцію фізіологічних функцій.
Ознаки «справжніх» гормонів: -дистантність (регуляція функцій клітин від місця утворення) – специфічність біологічної дії (1 гормон
за біологічним ефектом не може бути повністю замінений другим); - висока біологічна активність – гормони діють на клітини через
взаємодію з специфічними рецепторами.
1.
2.
Класифікація гормонів та біорегуляторів: відповідність структури та механізмів дії гормонів.
Гормони, що синтезуються в ендокринних залозах («справжні», істинні гормони), декретуються в кров*яне русло і після перенесення
спеціалізованими транспортними білками здійснюють свої біологічні ефекти, як правило, на відстані, тобто діють на віддалений
чутливий орган. До «справжніх» гормонів належать: гормони гіпоталамуса та гіпофіза, гормони щитовидної залози, гормони пара
щитовидної залози, гормони ендокринних клітин підшлункової залози, гормони коркової частини наднирникових залоз, гормони
чоловічих та жіночих статевих залоз, гормони епіфіза.
Близькі за біологічними ф-ціями до гормонів фізіологічно активні сполуки, що є гуморальними регуляторними факторами не
ендокринного походження. Ці біорегулятори виробляються не в ендокринних залозах, а в спеціалізованих клітинах, які містяться в
інших тканинних елементах, зокрема в лімфоїдній системі, лейкоцитах, сполучній тканині, шлунку, кишечнику тощо і мають назву
гормоноподібних сполук (гормоноїдів) або тканинних гормонів (гістогормонів). На відміну від «справжніх» гормонів, що
характеризуються дистантністю дії, гістогормони можуть справляти свій регульований вплив на чутливі до них клітини-мішені на місці
свого утворення (місцева дія).
Загальною рисою у біорегуляторів різного походження є їх інформаційна ф-ція, спрямована на контроль, регуляцію, модуляцію
метаболічних і фізіологічних ф-цій чутливих біоструктур. Найбільш вивченими на даний час є такі класи біорегуляторів: гормони
(«справжні» гормони), нейромедіатори та опіоїдні пептиди, фізіологічно активні ейкозаноїди, гормони та медіатори імунної системи,
пептидні фактори росту (цитомедини, інтермедини).
3.
Реакція клітин-мішеней на дію гормонів. Мембранні (іонотропні, метаботропні) та цитозольні рецептори.
Реалізація фізіологічного ефекту гормонів та інших біорегуляторів здійснюється в клітинах (тканинах-, органах-)-мішенях.
Мішені (клітина, тканини, органи) або гормонокомпетентні структури – чутливі до гормону біоструктури, які вибірково відповідають
на взаємодію з гормоном специфічною фізіологічною та біохімічною реакцією; відповідно до ступеня впливу гормону на їх біологічні
властивості, виділяють гормонозалежні та гормоночутливі клітини.
Прикладами гормонозалежних структур є тканини периферійних ендокринних залоз (щитовидної, кори евднирникових залоз) відносно
дії тропних гормонів гіпофіза (ТТГ та АКТГ, відповідно) або клітини чоловічої та жіночої статевої сфери стосовно присутності та
ефектів відповідних статевих гормонів. Гормоночутливими є клітини органів, що реагують на дію інсуліну, який контролює ві них
обмін глюкози, ліпідів та амінокислот (клітини м*язів, жирової тканини, лімфоїдної системи).
Здатність клітин-(тканин-)-мішеней специфічним чином реагувати на певний гормон визначається наявністю рецепторних молекул, що
сполучаються з гормоном або хімічно близькими до нього сполуками. З іншого боку, взаємодія з рецептором відбувається за рахунок
певного домену молекули гормону – «активного центру», що за молекулярною будовою, конформаціюю є комплементарним
відповідному сайту рецептора.
Мембранні рецептори поділяють на 2 класи:
1) рецептори І класу – монотропні рецептори – такі, що в результаті взаємодії з ФАС спричиняють відкриття іонних каналів на
плазматичній мембрані і генерують розвиток надзвичайно швидких іонних струмів (Ca2+, Na+, K+, Cl-)/
2) рецептори ІІ класу – метаботропні рецептори – такі, що після взаємодії з ФАС призводять до активації біохімічних ефекторних
систем клітини через трансдукуючий G-білок.
Фізіологічними лігандами є гормони та інші біорегулятори білково-пептидної природи та біогенні аміни – похідні амінокислот
(адреналін, серотонін).
Цитозольні рецептори всіх класів стероїдних гормонів у присутності стабілізуючого агента являють собою гетероолігомерний білковий
комплекс.(холорецептор).
4.
Біохімічні системи внутрішньоклітинної передачі гормональних сигналів: G-білки, вторинні посередники (цАМФ,
Са2+/кальмодулін, ІФ3, ДАГ).
Білки-трансдуктори - G-білки – внутрішньомемьранні білки, які сприймають хімічний сигнал від рецептора, модифікованого за
рахунок взаємодії з гормоном або медіатором, та спричиняють зміни функціональної активності ефекторних систем клітини. Є кілька
типів G-білків: Gs-білки (стимулюючі) – такі, що активують аденілатциклазу – фермент, що утворює головний вторинний посередник –
цАМФ.Gi-білки (інгібіруючі) – такі, що інгібірують аденілатцикладу. Gq-білки, такі, що активують фосфоліпазу С – фермент, який
спричиняє активацію фосфоінозитидного циклу – ферментної системи, яка призводить до збільшення концентрації Ca2+ в цитозолі за
рахунок його вивільнення з внутрішньоклітинних депо.
Взаємодія цАМФ з цАМФ-залежною протеїнкіназою – кіназою А з подільшим фосфорилюванням ключових ферментних та
структурних білків є внутрішньоклітинною молекулярною подією, що дозволяє цьому месенджеру виконувати функцію унікального
посередника в гормональному контролі клітинних функцій. До гормонів, що використовують цАМФ як вторинний посередник
належать: адреналін, вазопресин, кальцитонін, глюкагон тощо. Гормони, що гальмують цАМФ-систему: ангіотензин ІІ, ацетилхолін,
дофамін , норадреналін та ін.
Універсальним акцептором хімічного регуляторного сигналу від іонів Са2+ є кальмодулін (КМ) – білок, який може зв*язувати 4 іони
кальцію. Специфічне зв*язування Са2+ з молекулою КМ призводить до змін конформації білка, який набуває властивості взаємодіяти з
чутливими до КМ білками, в тому числі протеїнкіназами, які регулюють функції багатьох важливих ферментів, збільшуючи їх
каталітичну активність.
Продукти реакції, яка каталізується гормоночутливою фосфоліпазою С – ІФ3 та ДАГ, є внутрішньоклітинними месенджерами:
-ІФ3 спричиняє вихід у цитозоль іонів Са2+, депонованих в ендоплазматичному ретикулумі, і збільшення концентрації іона в цитозолі.
Вивільнення Са2+ з ендоплазматичного ретикулуму зумовлене відкриттям при дії ІФ3 мембранних каналів для кальцію, що
локалізовані в зазначених ультраструктурних утвореннях і є важливим механізмом тонкої фізіологічної регуляції рівня іонізованого
цитозольного кальцію.
ДАГ є активатором Са/фосфоліпід залежної протеїнкінази – ферменту, каталітична активність якого проявляється за умов взаємодії з
іонами Са2+ та фосфоліпідом фосфатидилсерином.
Молекулярно-клітинні механізми дії стероїдних та тиреоїдних гормонів.
5.
Послідовність клітинних та біохімічних реакцій, за рахунок якої стероїдні та тиреоїдині гормони реалізують свої біологічні ефекти має
вигляд:
Проникнення гормону всередину клітини сполучення гормону з цитозольним рецептором модифікація (активація) рецептора у
складі гормонорецепторного комплексу  транс локація модифікованого гормонорецепторного окплексу у ядровзаємодія комплексу
зі специфічною ділянкою ДНК хроматину активація специфічних генів транскрипція мРНК синтез ферментних білків, що
реалізують біологічні ефекти гормону.
Взаємодія рецепторів стероїдних та тиреоїдних гормонів зі своїми специфічними лігандами зумовлена їх молекулярною будовою, що
складається з окремих структурно-функціональних доменів, які відрізняються первинною структурою та конформацією.
Взаємодія білкових рецепторів гормонів- активаторів транскрипції з ДНК відбувається в певних місцях промоторних ділянок геному,
що знаходться «зліва» від сайтів ініціації транскрипції і регулюють експресію розташованих на відстані генів.
У взаємодії активованих гормонами стероїдних та тиреоїдних рецепторів зі специфічними ділянками ДНК беруть участь також певні
ділянки рецепторних білків, що мають будову цинкових пальців та та глобулярних Zn-вмісних доменів – унікальних просторових
утворень, які властиві всім різновидам білків, що виступають як регулятори транскрипції (гормональним рецепторам, білкам –
активаторам синтезу металотіонеїну тощо).
1.
Гормони гіпоталамуса – ліберини та статини.
Гіпоталамус є зоною головного мозку, яка регулює активність гіпофіза і периферійних ендокринних залоз шляхом продукції в
нейросекреторних клітинах специфічних гіпоталамічних, гіпофізотропних гормонів та дії нейротрансмітерів, що контролюють ф-ції
підпорядкованих залоз внутрішньої секреції через симпатичну та парасимпатичну нервову систему.
Соматоліберин (соматотропні-рилізинг-гормон, СТГ-РГ) – під впливом СТГ-РГ стимулюється продукція та вивільнення в гіпофізі
гормону росту.
Соматостатин (СС; гормон, що інгубує виділення гормону росту) – гормон, під впливом якого гальмується продукція та вивільнення
гормону росту; крім гіпоталамуса соматостатин синтезується також в острівцях підшлункової залози та інших клітинних утвореннях
шлунково-кишкового тракту, де виконує специфічні фізіологічні ф-ції.
Пролактостатин (пролактин-інгібуючий гормон) – пептид, що гальмує продукцію пролактину та має гонадоліберинову активність.
Тироліберин (тиротропін-рилізинг-гормон , ТРГ) – гормон, під впливом якого стимулюється продукція і вивільнення тиреотропного
гормону гіпофіза.
Гонадоліберин (гонадотропін-рилізинг-гормон;ГнРГ) – під впливом ГнРГ стимулюється синтез і вивільнення гонадотропних гормонів
ФСГ та ЛГ.
Кортиколіберин (кортикотропін-рилізинг-гормон) – гормон, що стимулює вивільнення кортикотропіну.
За хім. природою ліберини та статини є поліпептидами, що декретуються певними нейронами гіпоталамуса, та, надходячи разом із
біогенними амінами (дофаміном, серотоніном) та іншими нейромедіаторами через систему портального кровообігу або нейрон альні
аксони в аденогіпофіз, регулюють його специфічні гормональні ф-ції.
Гормони передньої частки гіпофіза: соматотропін (СТГ), пролактин. патологічні процеси, пов'язані з порушенням
функції цих гормонів.
Передня частка гіпофіза (аденогіпофіз) продукує значну к-сть гормонів, які стимулюють фізіологічні та біохімічні процеси в різних
тканинах мішенях, в тому числі активують дії інших ендокринних залоз.
2.
Гормон росту (соматотропні, соматотропний гормон (СТГ) – простий білок, що складається з одного поліпептидного ланцюга і має два
внутрішньо молекулярні дисульфідні зв*язки. Гормон синтезуєтьсяя в соматотропних клітинах, що складають приблизно 50% клітин
аденогіпофіза.
Патології:
Акромегалія – захворювання, розвиток якого спричиняється збільшеною продукцією гормону росту у дорослих осіб; захворювання
характеризується патологічно диспропорційним збільшенням кісток скелета, м*яких тканин, внутрішніх органів.
Гігантизм – прояв надмірної секреції гормону росту в дитячому та підлітковому віці, що призводить до збільшеного росту людини.
Карликовість – затримка росту, яка спричиняється гетерогенними факторами, пов*язані як із зменшенням синтезу СТГ, так і з
порушеннями реактивності тканин на дію гормон.
Пролактин – простий білок, що складається з одного поліпептидного ланцюга. Гормон продукується в ацидофільних клітинах
аденогіпофіза – лактотрофах, кількість і розміри яких збільшуються під час вагітності.
Пухлини, що складаються з пролактин синтезуючих клітин гіпофіза, призводять у жінок до аменореї та галактореї, у чоловіків – до
деяких видів безплідності.
Синтез та секреція пролактину гальмуються дофаміном та специфічним інгібуючим нейропептидом гіпоталамуса – пролактостатином,
що має також властивості гонадоліберину.
3.
Гормони задньої частки гіпофіза. Вазопресин та окситоцин: будова, біологічні функції.
Вазопресин та окситоцин це нейрогіпофізарні гормони, оскільки задня частка гіпофіза є лише місцем їх накопичення, а біосинтез
відбувається в супраоптичному та паравентрикулярному ядрах гіпоталамуса. Вазопресин та окситоцин є циклічними пептидами, що
склад з 9 амінокислотних залишків (нонапептиди); первинна структура двох гормонів розрізняється лише залишками амінокислот, які
містяться в 3 та 8 положеннях.
Вазопресин
Біологічні ф-ції вазопресину (антидіуретичного гормону) пов*язані з регуляцією осмолярності та осмотичного тиску рідин організму.
Гормон сприяє підтриманню артеріального тиску за рахунок прямого впливу на судинну стінку, підсилює глікогеноліз у печінці та
м*язах. Молекулярні механізми дії вазопресину ґрунтуються на наявності двох типів рецепторів цього активного пептиду:
V1 – рецепторів –локалізовані на мембранах гепатоцитів, гладеньких м*язів судин, тромбоцитів. V2 – рецептори – локалізовані на
мембранах епітеліальних клітин трубочок та петель Генле нефронів).
Порушення синтезу, транспортування та вивільнення в гіпоталамусі або зниження чутливості рецепторів нефронів до вазопресину
призводять до розвитку важкого захворювання – нецукрового діабету, клінічними проявами якого є виділення значної к-сті сечі з
низькою щільністю та постійне відчуття спраги.
Окситоцин
Фізіологічна дія окситоцину полягає в активації скорочення м*язів матки (стимуляції пологової діяльності) та скорочення
міоепітеліальних клітин, що оточують альвеоли молочної залози (забезпеченні надходження молока з альвеол у вивідні протоки під час
лактації).
4.
Інсулін: будова, біосинтез та секреція; вплив на обмін вуглеводів, ліпідів, амінокислот та білків. Рістстимулюючі
ефекти інсуліну.
Інсулін – поліпептидний гормон, молекула якого складається з двох ланцюгів – А та В, що мають, відповідно, 21 та 30 амінокислотних
залишків. Пептидні ланцюги сполучені між собою дисульфід ними зв*язками, що з*єднають залишок А7 з залишком В7, та залишок А20
із залишком В19.
Інсулін синтезується в рибосомах В-(β-)клітин підшлунковї залози у вигляді препрогормону – білка, який у результаті обмеженого
протеолізу послідовно перетворюється в ендоплазматичному ретикулота та апараті Гольджі на про гормон та зрілий інсулін. Молекули
інсуліну спаковуються в секреторні гранули, де вони утворюють комплекси з іонами цинку. Секреція інсуліну з клітини відбувається
шляхом еміоцитозу, який полягає в міграції гранул до плазматичної мембрани, злитті гранул з мембраною, розчиненні мембрани та
«екструзії» - викиду вмісту мембрани в екстра целюлярний простір. Секреція інсуліну є енергозалежним процесом, головним
фізіологічним стимулом секреції є збільшення концентрації глюкози в крові понад рівень фізіологічної норми (3,3-5,5 ммоль/л).
Вплив на обім вуглеводів:
1) стимуляцією транспорту глюкози з екстра целюлярного простору через плазматичні мембрани всередину клітин.
2) сприянням утилізації глюкози в м*язах, печінці, жирові тканині тощо шляхами гліколізу, пентозофосфатного шляху та синтезу
глікогену
Вплив на омін ліпідів:
1) активацією синтезу вищих жирних кислот за рахунок збільшення притоку відповідних субстратів: ацетил-КоА та НАДФН, що
утворюються при метаболізмі глюкози
2) активацією синтезу триацилгліцеролів із жирних кислот та гліцерил-3-фосфату, який також постачається у збільшенній кількості при
гліколітичному розщепленні глюкози
3) гальмуванням лі полізу в адипоцитах, що зумовлено зменшенням концентрації цАМФ, необхідного для активації ТГ-ліпази та
протидією лі політичному впливу катехоламінів та глюкагону.
Вплив на амінокислоти та білки:
1) стимуляцією транспорту нейтральних амінокислот через плазматичні мембрани
2) активацією процесів рибосомальної трансляції, синтезу рРНК та деяких мРНК (у м*язах, печінці, нирках, сполучній тканині).
Інсулін має ріст стимулюючі ефекти, що пов*язані як із стимуляцією надходження в клітини енергетичних та пластичних субстратів
для росту (глюкози, амінокислот), так і з безпосереднім активуючим впливом на біосинтез (реплікацію) ДНК, прискоренням переходу
клітин у S-фазу. Інсулін здійснює позитивний вплив на проліферацію тваринних клітин у культурі, подібний до дії пептидних факторів
росту – фактора росту епідермісу, фактора росту фібробластів, тромбоцитарного фактора росту, біологічні ефекти яких також
підсилюються інсуліном.
5. Глюкагон: регуляція обміну вуглеводів та ліпідів.
Глюкагон – одно ланцюговий поліпептид, що складається з 29 амінокислотних залишків. Синтезується у вигляді про гормону
(проглюкагону), який перетворюється на молекули зрілого глюкагону.
Біологічні функції глюкагону полягають у регуляції вуглеводного та ліпідного обміну. Основною мішенню гормональної дії глюкагону
є гупатоцити печінки.
Вплив на обмін вуглеводів характеризується:
1) стимуляцією глікогенолізу за рахунок активації глікоген-фосфорилази; молекулярний механізм дії гормону полягає в активації
мембранної аденілатциклази з подальшим включенням цАМФ-залежного фосфоролітичного каскаду
2) гальмуванням глікогенезу шляхом інгібірування активності глікогенсинтази за рахунок її цАМФ-залежного фосфорилювання
3)стимуляцією синтезу глюкози з амінокислот; активуючи синтез ферменту ФЕП-кінази, глюкагон виступає як найбільш потужний
активатор глюконеогенезу в печінці.
Вплив на обмін ліпідів характеризується лі політичною дією глюкагону. За рахунок збільшення концентрації цАМФ в адипоцитах
глюкагон активує ТГ-ліпазу жирової тканини, що супроводжується виходом НЕЖК в плазму крові; вільні жирні кислоти виступають
як енергетичні субстрати в ході β-окислення та частково перетворюється на кетонові тіла. За умов інсулінової недостатності глюкагонзалежне утворення ацетоацетату робить суттєвий внесок в розвиток кетонемії, що спостерігається при цукровому діабеті.
6. Тиреоїдні гормони: структура, біологічні ефекти Т4 та Т3. Порушення метаболічних процесів при гіпо- та гіпертиреозі.
Тиреоїдні гормони є істинними гормонами, що синтезуються в спеціалізованих епітеліальних клітинах фолікулів щитовидної залози –
тиреоцитах.
Із двох йодованих тиронінів більш активним є Т3, специфічна гормональна активність якого перевищує відповідну активність Т4 у 4-5
разів; у периферійних тканинах більша частина Т4 перетворюється на Т3, і сумарна біологічна дія тиреоїдних гормонів в організмі на
90-95% забезпечується самеТ3.
Біологічні функції тиреоїдних гормонів полягають у контролі процесів енергетичного обміну, біосинтезу білка та морфогенезу.
Гіпотиреоз – патологічний стан,я кий розвивається внаслідок дефіциту в організмі вільних Т3 та Т4 або неадекватної рекції тканинмішеней на дію гормонів. Така ситуація може бути спричинена дефектами синтезу тиреоїдних гормонів на різних його стадіях
внаслідок:
-порушення акумуляції йодидів залозою (внаслідок йодного дефіциту або неспроможності залози накопичувати мікроелемент)
-порушень у ферментних системах, що використовують йодиди для утворення гормонально активних молекул Т3 та Т4
-порушень у рецепторних та трансдукуючих системах, які трансформують гормональний сигнал в специфічні ефекти тиреоїдних
гормонів.
Поширеною формою гіпотиреозу є ендемічний зоб.
Гіпертиреоз – патологічний стан, що пов*язаний із надлишковим утворенням залозою тиреоїдних гормонів. Різні за механізмами
походження клінічні форми гіпертиреозу (базедова хвороба, хвороба Грейвса тощо) супроводжуються тиреотоксикозом, характерними
проявами якого є збільшення основного обміну (поглинання організмом кисню в стані спокою), підвищена збудливість нервової
системи, психічна дратівливість, тахікардія, схуднення хворих внаслідок переважання катаболічних процесів.
7.
Катехоламіни (адреналін, норадреналін, дофамін): будова, біосинтез, фізіологічні ефекти, біохімічні механізми дії.
Катехоламіни адреналін та норадреналін синтезуються в хром афінних клітинах мозкового шару наднирникових залоз, гангліях
симпатичної нервової системи та адренергічних структурах центральної нервової системи.
Адреналін
Ефекти адреналіну пов*язані з його взаємодією з різними класами адренорецепторів (α,β), що локалізовані як в центральній нервовій
системі , так і в численних ефекторних системах організму.
Фізіологічні проями дії адреналіну характеризуються тонізуючим впливом на міокард (збільшення сили та частоти серцевих
скорочень), загальне судинне русло (гіпертензивна дія), гладенькі м*язи судин різних внутрішніх органів, зокрема шлунковокишкового тракту, нирок, бронхів, матки тощо
Біохімічні ефекти адреналіну проявляються, в основному, в катаболічній дії гормону на вуглеводний та ліпідний обмін,
опосередкований мембранними рецепторами, сполученими з аденілатциклазними ферментними каскадами.
Вплив адреналіну на обмін ліпідів проявляється активацією глікогенфосфорилази, тобто глікогенолітичною дією, що призводить до
активації глікогенолізу в м*язах і забезпеченні енергією м*язового скорочення.
Вплив адреналіну на обмін ліпідів характеризується лі політичним ефектом, спричиненим стимулювальною дією гормону на активність
ТГ-ліпази адипоцитів жирової тканини.
Розщеплення адреналіну та норадреналіну каталізується моноамінооксидазами мітохондрій з утворенням гормонально неактивних
альдегідів та ванілілмигдальної кислоти.
Дофамін – біогенний амін, що є інтермедіаном у синтезі катехоламінів адреналіну та норадреналіну. Синтез цього аміну та чутливі до
нього рецепторні структури локалізуються переважно в гіпоталамусі, мезокортикальній, лімбічній, екстра пірамідній системах
головного мозку. Окрім нейромедіаторних властивостей у ЦНС, дофамін має близькі до інших катехоламінів симпатоміметичні
властивості. Також дофамін здійснює специфічний саме для нього вплив на ф-цію серцево-судинної системи, спричиняє дилатацію
судин нирок, стимулює екзокринну ф-цію підшлункової залози.
8.
Стероїдні гормони кори наднирників (С21-стероїди) – глюкокортикоїди та мінералокортикоїди; будова, властивості.
Фізіологічна функція кортикостероїд них гормонів полягає в регулюванні процесів адаптації цілісного організму до змін умов
навколишнього середовища та підтриманні внутрішнього гомеостазу, особливо в умовах дії стресорних факторів.
Глюкокортикоїди – кортикостероїди, основним біологічним ефектом дії яких є регуляції вуглеводного обміну, спрямована на
стимуляцію синтезу глюкози в печінці, тобто глюконеогенезу. До ггюкокортикоїдів належать: кортизол, кортизон, кортикостерон.
Кортизол - це гормон, який секретується корою надниркових залоз у відповідь на фізичний або емоційний стрес. Його основне
завдання - зробити антистресову і протизапальну дію; це означає, що кортизол примушує організм подавити імунну відповідь і
припинити реагувати на проблему або больовий подразник.
Оскільки кортизолу властиві властивості иммунорегулятора, його фармакологічні аналоги (наприклад, преднізолон)
використовуються для купірування важких алергічних реакцій, лікування артриту і інших запальних захворювань. Про мірі
небезпеки, якою супроводжується хронічне підвищення рівня кортизолу, можна судити по тій обережності, з якою підбирається
доза препарату, і за украй малою тривалістю курсу терапії.
Кортизон - активують розпад білків в клітинах тканин, підвищують вміст амінокислот в крові,
активують дезамінування
амінокислот печінки і перетворення їх у вуглеводи, унаслідок чого підвищується вміст глюкози в крові. Глюкокортикоїди посилюють
також жировий обмін. Відносяться до протизапальних гормонів, оскільки вони пригнічують утворення антитіл, розвиток набряку,
знижують проникність мембран.
9.
Жіночі статеві гормони: естрогени, прогест嬬рон. Фізіологічні та біохімічні ефекти; зв'¬¬¬ язок з фазами
овуляційного циклу.
До жіночіх статевих гормонів належать
Естрогени-похідні естрану
Прогестагени-похідні прегнану
Естрогени-синт.у фолікулах яєчників жінок.Естрадіол-найбільш активний представник естрогенів.
Біосинтез естрадіолу-це процес,який відбувається в клітинах внутр.оболонки фолікулів яєчника.Біол.особливості естрогенів.
Естрогени стимулюють розвиток тканин,що беруть участь у реалізації репродуктивної ф-ції жінок,зумовл. Проліферацію епітелію
піхви,ендометрію,появу ритмічної рухомості міометрію,також вони відповідають за формування вторинних статевих ознак жіночого
організму.
ПРОГЕСТАГЕНИ(ПРОГЕСТЕРОН)
Це гормон,що синт. в жостому тілі яєчників у фазу менструального циклу.Фізіол.функція-підготока матки та інших статевих органів до
імплантації плода та розвитку вагітності.
10.
Чоловічі статеві гормони (С19-стероїди). Фізіологічні та біохімічні ефекти андрогенів; регуляція синтезу та секреції.
Андрогени — чоловічі статеві гормони хребетних тварин і людини, виробляються головним чином насінниками, а також корою
наднирників і яєчниками. Стимулюють розвиток і функцію чоловічих статевих органів, розвиток вторинних статевих ознак. За
хімічною природою —стероїди.
Основним андрогеном є тестостерон,що синт. в клітинах сім*яників.У клітинах-мішенях тестостерон перетворюється в
дигідротестостерон.
Біологічні ф-ції полягають у забезп.продуктивної функції чоловічого організму шляхом контролю сперматогенезу та стимуляції
розвитку первинних та вторинних статевих ознак.
Крім того,у них є виражений анаболічний ефект,що виявляється стимуляцією синтезу білка в багатьох тканинах.
11.
Гормональна регуляція гомеостазу кальцію в організмі. Паратгормон, кальцитонін, кальцитріол.
Гомеостаз кальцію визначається функціонуванням таких анатомо-фізіологічних систем:
І)Кісток скелета-резервуара кальцію
ІІ)Тонкої кишки,у верхніх відділах якої здійснюється всмоктування кальцію і фосфатів,які споживаються у складі продуктів
харчування
ІІІ)Нирок,уздовж канальців яких відбувається реабсорбція іонів кальцію та фосфатів.
ПАРАТГОРМОН
Це сполука,що синтез.в клітинах паращитопод.залоз.Це простий білок,синт. У рибосомах у формі препаратгормону.
-у кістковій тканині паратгормон стимулює фуекц.активність остеокластів,що призв.до резорбції структур кістки та виходу кальцію та
фосфатів в кров
-в нирках збільшує реабсорбцію кальцію в дистальних відділах та пригнічує реабсорбцію фосфатів
-в кишечнику дія призв.до стимуляції всмокт.кальцію в кров через апікальні мембрани ентероцитів.
КАЛЬЦИТРІОЛ
Утворюється з вітаміну Д3.
Біол.ф-ція полягає в стимуляції всмоктування кальцію та фосфатів в кишечнику.Кальцитріол підтримує фіз.концентрації кальцію і
фосфатів у плазмі крові,що забезп умови для нормальної побудови кісток.
КАЛЬЦИТОНІН
Гормон,який синт.в парафолікулярних клітинах щитовидної залози.
Цей гормон є гормоном гіпокальціємійної дії,що зменш.концентрацію іонів кальцію в крові та неорг.фосфатів.Механізм дії полягає в
пригніченні ф-ції остеокластів та зменшенні їх утворення.Резорбція кістк.тканини гальмується.
12.
Ейкозаноїди: будова, біологічні та фармакологічні властивості. Аспірин та інші нестероїдні протизବпальні засоби
як інгібітори синтезу простагландинів.
Ейкозаноїди-сполуки,що
належать
до
біорегуляторів
клітинних
функцій
ліпідної
природи.Вони
поділяються
на:простогландини,тромбоксани та лейкотрієни.Вони утворюються не в залозах внутрішньої секреції,а в тканинах.
І)Простагландини та простацикліни разом складають клас простаноїдів
ІІ)Тромбоксани
Біосинтез простогландинів і тромбоксанів.Основне джерело для їх синтезу-арахідонова кислота.Простагландин-синтазний комплекс за
рахунок циклооксигенази та пероксидази послідовно перетворює арахідонат на простагландин Н2.
ІІІ)Лейкотрієни.
Функції ейказаноїдів
1. Біол.ф-ції простагландинів пов*язані з впливом на скорочувальну функцію гладеньких м*язів.Також можуть виникати розслаблення
або спазми бронхів та трахеї
2. Простациклін продукується ендотеліальними клітинами судин.Він протидіє агрегації тромбоцитів.
3.Тромбоксани є фізіологічними антагоністами антитромбічних ефектів простацикліну.
4.Простагландини та лейкотрієни беруть участь у розвитку запальних процесів.
Аспірин блокує синтез простагландинів
Метаболізм вуглеводів та його регуляція.
1.
Аеробне та анаеробне окислення глюкози , загальна характеристика процесів.
Прості вуглеводи після всмоктування в кишковому тракті та проникнення всередину клітин підлягають метаболічним
перетворенням,які становлять підгрунтя їх біоенергетичної функції.Безпосередній і найбільший внесок в утворення АТФ здійснює
окислення глюкози до кінцевих продуктів катаболізму – діоксиду вуглецю та води.Крім того,певна кількість вуглеводів,що постійно
надходить в організм з продуктами харчування,формують енергетичні депо метаболічного палива у вигляді глікогену та нейтральних
жирів.
Основні шляхи внутрішньоклітиннного катаболізму глюкози:
- аеробне окислення,в рез-ті якого глюкоза розщеплюється до СО2 та Н2О
- гліколітичний шлях(гліколіз),в результаті якого глюкоза утворює проміжні продукти катаболізму (піровиниградну або молочну
кислоту)
Анаеробне окислення глюкози. Послідовність реакцій та ферменти гліколізу.
2.
Анаеробний гліколіз має місце перважно в м*язах при інтенсивній фізичній діяльності ,тобто при відносній кисневій
недостатності.Репакції гліколізу перебігають у цитозолі клітини і каталізуються ферментами,що локалізовані в цьому
компартменті.Анаеробний гліколіз супроводжується утворенням 2-ох молекул молочної кислоти(лактату)
С6Н12)6--- 2С3Н6О3(лактат)
3. Аеробне окислення глюкози. Етапи перетворення глюкози до CO2 , H2O.
В умовах нормального тканинного дихання аеробне окислення є переважаючим для більшості тканин тваринних організмів і найбільш
ефективним з точки зору енергетичної цінності шляхом метаболізму глюкози.Аеробне окислення глюкози до СО2 та Н2О відповідає
такому сумарному рівнянню:
С6Н12О6 + 6 О2 = 6 СО2 + 6 Н2О
Складний багатоступеневий процес аеробного окислення глюкози поділяється на такі етапи:
1) Розщеплення глюкози до піровиноградної кислоти.
С6H12O6 + 2 NAD + 2 АДФ + 2 Фн = 2 C3H4O3 + 2 НАДН + 2Н +2АТФ
2) Окислювальне декарбоксилювання піровиноградної кислоти
У результаті цього процесу утворюється ацетил-коА – основний субстрат окислення в ЦТК та відновлена форма НАД
Окислювальне декарбоксилювання пірувату каталізується піруватдегідрогеназним комплексом(міст.у мембранах мітохондрій),у
прокаріотів у цитоплазмі.
3) Окислення ацетил-коА до двоокису вуглецю та води в ЦТК
ЦТК,функціонально та біохімічно спряжений із ланцюгом електронного транспорту в мембранах мітохондрій,завершує аеробне
окислення глюкози до СО2 та Н2О,генеруючи 12 молекул АТФ на кожну молекулу ацетил-коА,що розщеплюється.
4.
Окислювальне декарбоксилювання пірувату. Ферменти, коферменти та послідовність реакцій в мультиферментному
комплексі.
У результаті окислювального декарбоксилювання пірувату утворюється ацетил-коА –осн.субстрат окислення в ЦТК.
Ферментативні стадії утворення ацетил-коА з пірувату.
Стадія І
Каталізується піруватдегідрогеназою(Е1),коферментом якої є ТДФ.На цій стадії відбувається взаємодія пірувату з С-2 тіазольного
кільця молекули тіаміну
Стадія ІІ
Каталізується дигідроліпоїлацетилтрансферазою(Е2),яка переносить гідроксиетильну групу від ТДФ(Е1) на простетичну групу
ферменту Е2,що є окисленою формою ліпоєвої кислоти.
Стадія ІІІ
Дигідроліпоїлацетилтрансфераза переносить ацетильну групу від відновленої ліпоєвої кислоти на коензим А
Стадія ІV
Окислення відновленої форми ферменту Е2 ФАД-залежною дигідроліпоїлдегідрогеназою (Е3)
Стадія V
Перенесення атомів водню від відновленої ФАД-групи дигідроліпохлдегідрогенази на НАД+ з утворенням НАДН
Відновлений НАДН,що утв.в результаті окислювального декарбоксилювання пірувату,в аеробних умовах окислюється в
мітохондріальному електротранспортному ланцюзі з генерацією 6 молекул АТФ.
5.
НАДН.
Гліколітична оксидоредукція : субстратне фосфорилювання та човникові механізми окислення гліколітичного
Човникові механізми окислення НАДН
Мембрани мітохондрій непроникні для НАДН,тому гліколітичний НАДН,що утворюється в цитозолі,не може безпосередньо
окислюватися НАДН-дегідрогеназою мітохондріального електронотранспортного ланцюга.Для окислення цитозольного НАДН існують
човникові системи,що транспортують відновлювальні еквіваленти від цієї сполуки до мітохондрій непрямим шляхом.Сутність цих
процесів полягає в тому,що гліколітичний НАДН у цитозолі відновлює певний метаболіт,який здатний проникати через внутрішню
мітохондріальну мембрану в матрикс мітохондрій,де він окислюється,відновлюючи внутрішньомітохондріальний НАД,і знову
повертається до цитозолю.
Транспорт цитозольного водню в мітохондрії здійснюється малат-аспартатною та гліцерофосфатною човниковими системами.
Малат-аспартатна човникова система
Сутність ії полягає у відновленні за рахунок водню системи(НАДН + Н) оксалоацетату до малату з подальшим транспортом малату
всередину мітохондрії і повторним його окисленням до аксалоацетату в цитозоль здійсн.після його перестворення до аспартату.
Гліцерофосфатна човникова система
Функціонує шляхом відновлення(за рахунок гліколітичного водню) діоксиацетонфосфату до гліцерол-3-фосфату(цитозольний
процес),транспорту гліцерол-3-фосфату всередину мітохондрії та його окислення в дихальному ланцюзі до діоксіацетонфосфату,який
знову повертається в цитозоль.
6.
Порівняльна характеристика біоенергетики аеробного та анаеробного окислення глюкози, ефект Пастера.
Енергетика аеробного окислення глюкози
Сумарне рівняння аеробного окислення глюкози,що враховує АТФ,генеровану при субстратному фосфорилюванні на гліколітичному
етапі та за рахунок окисного фосфорилювання в мітохондріях,таке:
С6Н12О6 + 6 О2 + 38 АДФ + 38 Фн = 6 СО2 + 6 Н2О + 38 АТФ
Енергетика гліколізу
Сумарний процем аеробного та анаеробного гліколізу можна подати таким рівнянням:
С6Н12О6 + 2 АДФ + 2 Фн = 2 С3Н4О3(С3Н6О3) + 2 АТФ
Ефект Пастера:
Вивчаючи процес бродіння у дріжджів Луї Пастер помітив таку закономірність: як швидкість поглинання, так і загальна кількість
використаної клітинами глюкози сильно збільшувалась за анаеробних умов порівняно з аеробними. Причини цього явища, яке було
назване ефектом Пастера, стали зрозумілими після детальнішого вивчення процесів катаболізму: у присутності кисню відбувається
повне окиснення глюкози до вуглекислого газу та води, що супроводжується синтезом 30—32 молекул АТФ на одну молекулу глюкози,
а за його відсутності бродіння дає вихід тільки 2 молекули АТФ на молекулу глюкози. Отже, в анаеробних умовах клітині потрібно
спожити у 15 разів більше глюкози, щоб отримати ту ж кількість АТФ
Фосфоролітичний шлях розщеплення глікогену в печінці та мязах. Регуляція активності глікогенфосфорилази.
Глікоген
↓
Глюкозо-1-фосфат
7.
↓
Глюкозо-6-фосфат
↓
М*язи(Піруват(лактат))
8.
↓
Печінка(глюкоза)
Біосинтез глікогену: ферментативні реакції, фізіологічне значення. Регуляція активності глікогенсинтази.
Ферментативні реакції синтезу глікогену
1)Утворення нуклеотидцукру-попередника
Усі біохімічні реакції утворення складних вуглеводів – оліго-та полісахаридів потребують наявності метаболічно активних форм
моносахаридів,у ролі яких виступають сполучені з цукрами нуклеотиди.Метаболічно активною формою глюкози,що використовується
у формуванні нерозгалужених гомополісахаридних ланцюгів глікогену,є УДФ-1-глюкоза.
Реакція каталізується УДФ-глюкозопірофосфорилазою
2)Формування нерозгалужених ланцюгів глікогену
Фермент- УДФ-глікогентрансфераза
3)Формування розгалужень у молекулі глікогену
Розгалуження в молекулі глікогену виникають за рахунок внутрішньомолекулярного переносу олігосахаридного фрагмента з 6-7
мономерів із кінця до С-6 гідроксильну групу глюкози.
Фізіол.значення глікогену
Глікоген є резервною формою глюкози,збереження надлишків якої у вигляді молекул мономерів неможливе у зв*язку з ії високою
осмотичною активністю.
9.
Механізми реципрокної регуляції глікогенолізу та глікогенезу за рахунок каскадного цАМФ-залежного
фосфорилювання ферментних білків.
10.
Роль адреналіну, глюкагону та інсуліну в гормональній регуляції обміну глікогену в мязах та печінці.
У м*язах.
Адреналін-стимулює глікогеноліз та гальмує глікогенез шляхом:
А)Активації глікогенфосфорилази за рахунок її цАМФ-залежного фосфорилювання
Б)Інгібірування глікогенсинтази за рахунок її цАМФ-залежного фосфорилювання
Інсулін- стимулює глікогенез і гальмує глікогеноліз шляхом:
А)Підвищення проникності мембран м*язових клітин для глюкози,що використ.для синтезу глікогену.
Б)Зменшення внутрішньоклітинного рівня цАМФ за рахунок активації її розщеплення фосфодіестеразою
У печінці
Глюкагон-стимулює глікогеноліз та гальмує глікогенез за механізмом,аналогічним дії адреналіну в клітинах м*язів
Інсулін-підвищує активність ферм.реакцій синтезу глікогену за рахунок біохімічних механізмів,близьких до розглянутих вище.
Таким чином:
-переважання інсуліну сприяє утворенню в організмі резервів вуглеводів у формі глікогену печінки.
-переважання глюкагону сприяє мобілізації запасів глікогену печінки в умовах зниження рівня глюкоземії,яке спостерігається через
декілька годин після споживання їжі.
11.
Генетичні порушення метаболізму глікогену (глікогенози, аглікогенози).
Спадкові порушення обміну глікогену
Глікогенози – спадкові хвороби, молекулярною основою виникнення яких є уроджена недостатність синтезу певних ферментів
глікогенолізу, пов’язана з дефектами в генетичній системі клітин. При глікогенозах у внутрішніх органах та тканинах (здебільшого в
печінці, м’язах, клітинах крові) спостерігається накопичення аномально надмірної кількості глікогену, іноді зі зміненою молекулярною
структурою, який не може використовуватися у метаболічних процесах. Клінічно глікогенози проявляються важкою гіпоглюкоземією
внаслідок нездатності глікогену печінки розщеплюватися з вивільненням молекул глюкози.
Аглікогенози – спадкові хвороби накопичення глікогену, молекулярною основою яких є генетичні дефекти, що призводять до
порушення утворення ферменту глікогенсинтази.
12.
Глюконеогенез: субстрати , ферменти та фізіологічне значення процесу.
Глюконеогене́з — метаболічний шлях утворення глюкози з нецукрових вуглецевих
кислота, гліцерин і глюкогенні амінокислоти
субстратів,
таких
як
піруват, молочна
Всі перетворення глюконеогенезу локалізується у цитоплазмі, проте в еукаріот перша реакція цього шляху має місце у мітохондріях
Реакції глюконеогенезу відбуваються переважно в печінці та кірковому шарі нирок.Біосинтез глюкози забезпечує її нормальну
концентрацію в умовах зменшеного надходження моносахариду із зовнішнього середовища та вичерпання глікогену печінки та м*язів.
Реакції та ферменти глюконеогенезу:
1. Перетворення пірувату у фосфоенолпіруват.Відб.у 2 етапи
І)Перетворення пірувату в оксалоацетат за участю піруваткарбоксилази
піруват+СО2+АТФ=оксалоацетат+АДФ+Фн
ІІ)Перетворення оксалоацетату в фосфоенолпіруват за участю фосфоенолпіруваткарбоксикінази
оксалоацетат+ГТФ=ФЕП+СО2+ГДФ
2. Перетворення фруктозо-1,6-дифосфату в фруктозо-6-фосфат
Фермент:фруктозо-1,6-дифосфотаза
3. Перетворення глюкозо-6-фосфату в глюкозу
Глюкозо-6-фосфат+Н2О = глюкоза + Фн
Фермент:глюкозо-6-фосфатаза
13.
Глюкозо-лактатний (рі) та глюкозо-аланіновий цикли.
Цикл Корі - сукупність біохімічних ферментативних процесів транспорту лактату з м'язів у печінку, і подальшого синтезу глюкози з
лактату, каталізуються ферментами глюконеогенезу. При інтенсивній м'язовій роботі, а також в умовах відсутності або недостатньої
кількості мітохондрій (наприклад, в еритроцитах або м'язах) глюкоза вступає на шлях анаеробного гліколізу з утворенням лактату.
Лактат не може далі окислюватися, він накопичується (при його накопиченні в м'язах дратуються чутливі нервові закінчення, що
викликає характерне поколювання в м'язах). З током крові лактат надходить в печінку. Печінка є основним місцем скупчення
ферментів глюконеогенезу і лактат йде на синтез глюкози.
Глюкозо-аланіновій цикл
Метою глюкозо-аланіновогоцікла також є прибирання пірувату, але, крім цього, вирішується ще одна важлива задача - прибирання
зайвого азоту з м'язів. При м'язовій роботі і в стані спокою в міоциті розпадаються білки і утворені амінокислоти рансамініруються з aкетоглутаратом. Отриманий глутамат взаємодіє з піруватом. Утворений аланін є транспортною формою пірувату та азоту з м'яза в
печінку. У гепатоциті йде зворотна реакція трансамінування, аміногрупа передається на синтез сечовини, піруват використовується для
синтезу глюкози
Глюкоза, утворена в печінці з лактату або аланіну, повертається назад в м'язи, відновлюючи під час відпочинку запаси глікогену.Крім
м'язової роботи, глюкозо-аланіновий цикл активується під час голодування, коли м'язові білки розпадаються і багато амінокислоти
використовуються як джерело енергії, а їх азот необхідно доставити в печінку.
14.
Глюкоза крові(глюкоземія): нормоглікемія , гіпо- та гіперглікемії, глюкозурія. Цукровий діабет- патологія обміну
глюкози.
Нормоглікемія-нормальна кількіть глюкози в крові
Гіпо-зменшена кількість глюкози в крові
Гіпер-збільшена кількість глюкози в крові
Глюкоземія-наявність глюкози в сечі
Цукровий
діабет —
група ендокринних
захворювань,
що
розвиваються
внаслідок
абсолютної
чи
відносної
недостатності гормону інсуліну, внаслідок чого виникає стійке підвищення рівня глюкози в крові —гіперглікемія. Захворювання
характеризується хронічним перебігом і порушенням усіх видів обміну речовин: вуглеводного, жирового,білкового, мінерального і
водно-сольового. Характерними симптомами є невгамовна спрага (полідипсія) та надмірне сечовиділення (поліурія), однак ці симптоми
можуть бути слабко вираженими, якщо рівень глюкози в крові підвищений помірно.
15.
Гормональна регуляція концентрації та обміну глюкози в крові.
Адреналін-стимулює глікогеноліз та гальмує глікогенез шляхом:
А)Активації глікогенфосфорилази за рахунок її цАМФ-залежного фосфорилювання
Б)Інгібірування глікогенсинтази за рахунок її цАМФ-залежного фосфорилювання
Інсулін- стимулює глікогенез і гальмує глікогеноліз шляхом:
А)Підвищення проникності мембран м*язових клітин для глюкози,що використ.для синтезу глікогену.
Б)Зменшення внутрішньоклітинного рівня цАМФ за рахунок активації її розщеплення фосфодіестеразою
Глюкагон-стимулює глікогеноліз та гальмує глікогенез за механізмом,аналогічним дії адреналіну в клітинах м*язів
Інсулін-підвищує активність ферм.реакцій синтезу глікогену за рахунок біохімічних механізмів,близьких до розглянутих вище.
Таким чином:
-переважання інсуліну сприяє утворенню в організмі резервів вуглеводів у формі глікогену печінки.
-переважання глюкагону сприяє мобілізації запасів глікогену печінки в умовах зниження рівня глюкоземії,яке спостерігається через
декілька годин після споживання їжі.
16.
Пентозофосфатний шлях окислення глюкози:схема процесу та біологічне значення.
Пентозофосфатний шлях — метаболічний шлях перетворення глюкози, потрібний для отримання відновних еквівалентів НАДФH, що
використовуються у процесах біосинтезу багатьох речовин, зокрема жирних кислот та холестерину, та рибозо-5-фосфату, який є
важливим попередником в утворенні нуклеотидів. Відбувається у цитоплазмі клітин прокаріот, грибів, рослин та тварин.
ПФШ відбувається у цитозолі клітин, він має кілька біологічних функцій. Однією з них є продукування рибозо-5-фосфату, що
використовується для синтезу нукелотидів, які входять до складу РНК та ДНК, а також коферментів, таких
як АТФ, НАД, ФАД,кофермент А. Через це ПФШ активно функціонує у клітинах, що швидко діляться: кісткового
мозку, шкіри, слизової оболонки кишківника.
Загальна реакція пентозофосфатного шляху має такий вигляд:
3 Глюкозо-6-фосфат + 6 НАДФ+ + 3 Н2О → 6 НАДФH(H+) + 3 CO2 + 2 фруктозо-6-фосфат + гліцеральдегідфосфат;
Пентозофосфатний шлях розділяють на дві стадії:
1) Оксинювальна, в ході якої глюкозо-6-фосфат дегідрогенізується та декарбоксилюється з утворенням НАДФH та рибулозо-5-фосфату,
що ізомеризується до рибозо-5-фосфату;
2) Неокиснювальна, в реакціях якої рибулозо-5-фосфат перетворюється до проміжних продуктів гліколізу.
17.
Метаболічні шляхи перетворення фруктози та галактози; спадкові ензимопатії їх обміну.
Фруктоза, що потрапляє в організм людини із фруктами та внаслідок розщеплення сахарози в більшості тканин, крім печінки,
наприклад у м'язах та нирках, фосфорилюється гексокіназою до фруктозо-6-фосфату із використанням однієї молекули АТФ. У печінці
вона має інший шлях перетворення: спочатку фруктокіназа переносить фосфатну групу на C-1 фруктози, утворений фруктозо-1-
фосфат розщеплюється фруктозо-1-фосфатальдолазою до гліцеральдегіду та дигідроксиацетонфосфату. Обидві тріози перетворюються
у гліцеральдгед-3-фосфат: перший — під впливом тріозокіназа, другий — під впливом гліколітичного ферменту тріозофосфатізомераза.
Роль:є енергетичним джерелом для руху сперматозоїдів,міститься у кришталику ока.
Спадкові ензимопатії:
Непереносимість фруктози,фруктоземія
Галактоза утворюється в організмі внаслідок розщеплення молочного цукру. Вона поступає у печінку і там перетворюється на
глюкозо-6-фосфат за чотири кроки: спочатку галактокіназа каталізує фосфорилювання у першому положенні, на утворений галактозо1-фосфат переноситься уридильна група із УДФ-глюкози за участю ферменту галактозо-1-фосфатуридилтрансферази. Продуктами
другої реакції є глюкозо-1-фосфат та УДФ-галактоза. Глюкозо-1-фосфат під впливом фосфоглюкомутази перетворюється у глюкозо-6фосфат і поступає в гліколіз, а УДФ-галактоза використовується для регенерації УДФ-глюкози, що каталізується УДФ-галактоза-4епімеразою. Дефект будь-якого із ферментів метаболічного шляху перетворення галактози у глюкозу викликає
захворювання галактоземію.
Галактоземія проявляється в дитячому віці і виявляється нездатністю перетворювати галактозу в глюкозу,що проявляється розумовою
відсталістю,збільшенням печінки,помутнінням кришталика
Метаболізм ліпідів та його регуляція.
1.
Катаболізм триацилгліцеролів в адипоцитах жирової тканини: послідовність реакцій, механізми регуляції активності
тригліцеридліпази.(191)
Триацилгліцероли(нейтральні жири, жири) потрапляють до організму людини як компоненти тваринної і рослинної їжі. Ліпіди цього
класу розщеплюються в травному каналі до моно гліцеридів, вільних жирних кислот та гліцерилу. Основне місце локалізації резервних
тригліцеридів в організмі людини – адипоцити жирової тканини(ліпоцити).
Ферментативний гідроліз (ліполіз) триацилгпіцеролів в адипоцитах та інших клітинах, де накопичуються нейтральні жири, є
фізіологічним механізмом, що має суттєве значення як резервне джерело енергії, особливо в умовах вичерпання вуглеводних резервів
та при стресових ситуаціях. Процес розщеплення триацилгліцеролів із вивільненням жирних кислот, які виходять у кров, отримав назву
мобілізації жирних кислот із жирової тканини. Внутрішньоклітинний ліполіз триацилгліцеролів (ТГ) здійснюється в декілька стадій,
продуктами яких є діацилгліцероли (дигліцериди — ДГ), моноацилгліцероли (моногліцериди — МГ), іліцерол та вільні жирні кислоти.
Молекулярної основою регуляції активності тригліцеридліпази адипоцитів є її ковалентна модифікація шляхом оберненого
фосфорилювання – дефосфорилювання. Фосфорильована форма ТГ-ліпази є каталітично активною, дефосфорильовананеактивною.Фосфорилювання відповідного білка здійснюється за рахунок АТФ при участі ферменту цАМФ-залежної протеїнкінази.
2.
Нейрогуморальна регуляція ліполізу за участю адреналіну, норадреналіну, глюкагону та інсуліну.
Адреналін та норадреналін — катехоламіни, що активують ліполіз у жировій тканині за рахунок стимуляції цАМФ-залежного
каскадною механізму регуляції активності ТГ-ліпази адипоцитів. Ліполітична дія цих гормонів реалізується за умов фізіологічних
(фізичне
напруження,
зниження
температури
навколишнього
середовища) та психологічних (страх, тривого) стресів, що супроводжуються вивільненням з мозкового шару наднирникових залоз
адреналіну, а також стимуляцією симпатичної нервової системи та вивільненням у синапсах нейронів норадреналіну, що взаємодіють із
адренергічними
рецепторами
мембран
адипоцитів.
Глюкагон — панкреатичний гормон, що стимулює ліполітичну систему в жировій тканині за механізмом, подібним до дії
катехоламінів, тобто за рахунок підвищення в адипоцитах вмісту цАМФ, пов’язаного з активацією аденілатциклази. Дія глюкагону
проявляється
в
умовах
зниження
концентрації
глюкози
в
крові
через зменшення її надходження з кишечника або посиленого використання в тканинах.У цілому за рахунок розглянутих біохімічних
механізмів метаболічні ефекти катехоламінів та глюкагону призводять до швидкої стимуляції глікогенолізу в печінці і м’язах та
ліполізу в жировій тканині, що забезпечує підвищені енерготичні потреби організму за умов стресу або голодування.
На відміну від зазначених гуморальних факторів, що активують ТГ-ліпазу адипоцитів, спричиняючи мобілізацію НЕЖК із жирової
тканини, гормон інсулін гальмує процес ліполізу та вивільнення жирних кислот. Інгібіруюча дія інсуліну відносно ліполізу в
адипоцитах реалізується за рахунок двох біохімічних механізмів: а) зменшення концентрації цАМФ, що може бути пов’язаним з
активацією фосфодіестерази цАМФ; б) збільшення проникності мембран адипоцитів до піюкози, результатом чого є активація в
жировій тканині гліколізу і, відповідно, накопичення гліколітичних метаболітів діоксіацетонфосфату та 3-фосфотліцеринальдегіду. Ці
метаболіти, в свою чергу, є попередниками іліцерол-3-фосфату, що необхідний для реетерифікації жирних кислот при біосинтезі
триацилпгіцеролів. Таким чином, стимульоване інсуліном підвищене надходження в адилоцити глюкози переключає метаболізм
жирних кислот на використання їх здебільшого в синтетичних реакціях і зменшує їх вихід у кров.
3.
195стр)
Реакції окислення жирних кислот (β-окислення); роль карнітину в транспорті жирних кислот в мітохондрії.(194-
1. Дегідрування КоА-похідних жирних кислот за участю ФАД-залежного ферменту ацил-КоА-дегідрогенази.У результаті реакції
утворюється
трансненасичене
(в
положеннях
2,3,
або
а,
бета)
КоА-похідне
жирної
кислоти.
2. Гідратація ненасиченого КоА-ацилу ферментом еноїл-КоА -гідратазою з утворення м спиртовою похідною ацил-КоА—3-оксіацилуКпА
(бетагідроксіацилу-КоА)
3. Дегідрування оксинохідною ацил-КЬА НАД-залежним ферментом 3-аксіацил-КоА-дегідрогеназою. Продукт реакції — 3-кетоацил-
КоА
(бета-кетоацил-КоА)
4. Тіолітичне розщеплення 3-кетоацил-КЬА за рахунок взаємодії з молекулою КоА при участі ферменту бета-кетоацил-КоА-тіолази. В
результаті реакції утворюється молекула КоА-похідното жирної кислоти, скороченого на два вуглецеві атоми, та ацетил-КоА.
Виходячи із зазначеного, сумарне рівняння бета-окислення поширеної в природних триагліцеролах пальмітинової кислоти має вигляд
195стр
Карнітин, яким бере участь у перенесенні молекул ацил-КоА до мітохондріального магриксу.
Транспортна
функція
карнітину
реалізується
за
човниковим
принципом
(рис.
14.4.):
а) на зовнішній поверхні внутрішньої мітохондріальної мембрани за участю ферменту кариніти-ацилтрансферази І відбувається
утворення ефіру ацилкарнітину: ацил-S-KoA + карнітин
-ацилкарнітин
+
HS-KoA
б) транспортний білок карнітин-ацилкарнітин-піранслоказа
переносить
ацилкарнітин
через
мембрану мітоходрій;
в) на внутрішній поверхні мембрани фермент карнітин-ациятрансфераза II розщеплює ацилкарнітин у наступній реакції: ацилкарнітин
+
HS-KoА-------»ацил-S-KoA
+
карні
тин
Ацил-S-KoA вступає на шлях ß-окислення, а вільний карнітин виходить з мітохондрій і бере участь у транспортуванні нової молекули
жирної кислоти.
4.
Енергетична вартість β-окислення жирних кислот в клітинах.
1. У кожному циклі бета-окислення вивільняється одна молекула ацетил-КоА, окислення якої в циклі три карбонових кислот
супроводжується утворенням 12 молекул АТФ (глава 10). Бета-Окислення пальмітату призводить до утворення 8 молекул ацетил-КоА,
повне окислення яких до СО2 та Н20 дасть 96 (12x8) молекул АТФ.
2. У кожному циклі (Бета-окислення утворюються дві
молекули відновлених коферментів — ФАДН, та НАДН, які можуть віддавати свої відновлювальні еквіваленти ланцюга електронного
транспорту в мітохондріях, сприяючи генерації в результаті окисною фосфорилювання 2 (ФАДН,) та З(НАДН), тобто сумарно 5
молекул АТФ. У разі повного окислення пальмітату в 7 циклах {бета-окислення за рахунок даного механізму утворит ься 35 (5x7)
молекул АТФ. Враховуючи витрату 1 молекули АТФ на етапі активації жирної кислоти, загальна кількість молекул АТФ, що може
синтезуватися в умовах повного окислення до діоксиду вуглецю та води молекули пальмітату, дорівнює 130 (96+35-1). Виходячи з
цього, можна подати сумарне рівняння окислення пальмітинової кислоти в мітохондріях:
С15Н31СООН + 23 О2+ 130 АДФ + 130 Фн ------- ** 16 СО2 + 16 Н20 + 130 АТФ
5.
Окислення гліцеролу: ферментативні реакції, біоенергетика.(197)
Гліцерол, що утворюється при розщепленні триацигліцеролів або гліцерофосфоліиідів, може вступати на шлях катаболізму (окислення)
або знову використовуватися для біосинтезу різних класів гліцеридів.1. Включенню гліцеролу до метаболічних перетворень передує
його активація, яка полягає в його трансформації за участю АТФ до гліцерол-3-фосфату (альфа-гліце-рофосфату) при дії ферменту
гліцеролфосфокінази.
2.
альфа-Гліцерофосфат
здатний
до
окислення
мітохондріальним
ферментом
альфагліцерофосфатдегідрогеназою з утворенням гліцеральдегід-3-фосфагу (Г-З-Ф). Гліцеральдегід-З-фосфат є одним з центральних
метаболітів гліколітичного окислення глюкози. Подальше перетворення Г-З-Ф, утворенного при окисленні гліцеролу, співпадає з
катаболізмом гліколітичного Г-З-Ф: Г-З-Ф----*1,3-диФГК---*3-ФГК----*2-ФГЛ---*ФЕП-**ПІРУВАТ
6.
Кетонові тіла. Реакція біосинтезу та утилізації кетонових тіл, фізіологічне значення.(198)
У печінці існує фізіологічно важливий шлях утилізації ацетил-КоА, що призводить до утворення молекул альтернативного
метаболічного палива, які використовуються в інших тканинах — так званих кетонових (ацетонових) тілах. До кетонових тіл належать
ацетоацетат,бета-гідроксибутират та ацетон. Утворення кетонових тіл відбувається в цитозолі (початкові етапи) та мітохондріях
гепагоцитів за рахунок таких реакцій:
1.
Конденсація
двох
молекул
ацетил-КоА
з
утворення
м
ацетоацетнл-КоА.
Реакція каталізується цитозольним ферментом тіолазою. 2. Взаємодія ацетоацетил-КоА з новою молекулою ацетил-КоА з утворенням
бета-гідрокси-бета-метил-глутарил-КоА
(бета-ГОМК).
При утворенні кетонових тіл реакція відбувається в мітохондріях і каталізується ферментом бета-ГОМК-синтетазою. 3. Розщеплення
бета-гідрокс
и
бетаметилглутарил-КоА
мітохондріальним
ферментом бета-ГОМК-ліазою з утворенням ацето-ацетагу та ацетил-КоА.
Бета-гідроксибутират утв. З ацетоацетату шляхом відновлення НАД-залежною бета-гідроксибутиратдегідрогеназою:
Ацетон утвр в незначній кількості з ацетативного декарбоксилювання або дії кулюючій крові, за рахунок його не ферментативного
декарбоксилювання
або
дії
ферменту
ацетоацетатдекарбоксилази.
Після утвр в гепатоцитах кетонові тіла виходить у кров і транспортуються в периферичні тканини, де вони виступають як важливі
субстрати біологічного окислення. Використанню ацетоацетату як субстрату метаболічного палива передує його активація з
утворенням ацетоацетил-КоА. Існує два ферментативні механізми генерації ацетоацетил-КоА в гепаточитах: а) взаємодія ацетоацетату
з
сукциніл
КоА:
199стр
Б) активація ацетоацетату HS-КоА за участю АТФ:
7.
Порушення обміну кетонових тіл за умов патології (цукровий діабет,голодування).
У нормі концентрація кетонових тіл у крові та більшості тканин незначна ( в середньому 10-20мг-л).Проте, за умов голодування та
цукрового діабету створюються метаболічні умови, за яких кількість кетонових тіл у тканинах різко підвищується за рахунок значної
активації їх синтезу.При цьому значно зростають як концентрація кетонових тіл у крові(кетонемія), так і їх виділення з
сечею(кетонурія). Біохімічною основою зростання вмісту кетонових тіл в умовах патології зменшення ступеня утилізації атецил-КоА в
циклі три карбонових кислот внаслідок порушення вуглеводного обміну.
8.
Біосинтез вищих жирних кислот: реакції біосинтезу насичених жирних кислот (пальмітату) та регуляція процесу.
Синтетаза жирних кислот є мультиензимним комплексом, до складу якого входять декілька ферментних білків із каталітичною
активністю, що забезпечує послідовне подовження вуглецевого ланцюга (С2 С4, С6 ...)до утворення спеціацильного ■залишку з
необхідною кількістю вуглецевих атомів (переважно C16). Сукупність ферментних реакцій біосинтезу пальмітинової кислоти
називається циклом Лінена. Центральне місце у ферментному комплексі синтетази жирних кислот посідає ацилтранспортуючий
протеїн. Із молекулою АСР сполучені ферментні білки, що каталізують окремі реакції синтезу жирних кислот С 16та С18. АСР має два
SH-вмісних центри зв’язування: 1 -й центр —залишок цистеїну поліпептидного ланцюга АСР, який служить для акцептування
ацетильного радикалу (СН3-СО-) від ацетил-КоА; 2-й центр — фосфорильоване похідне вітаміну пантотенової кислоти — 4'фосфопантетеїн,
що
є
структурою,
SH-групи
якої
акцептують
малонільний
радикал (НООС-СН2-СО-) від малоніл-КоА. 4'-Фосфоиантетеїн (Фи) ковалентно сполучений із залишком серину в 36-му положенні
поліпептидного ланцюга АСР.стр204 формула
1. Регуляція на рівні ацетил-Ко А –карбоксилази. Ацетил-КоА-карбокслаазна реакція, в якій утворюється малоніл-КоА, є лімітуючою
стадією в контролі швидкості біосинтезу жирних кислот. Регуляція перебігу реакції здійснюється за двома механізмами:
1.1. Шляхам алостеричноїрегуляції активності ацетил- КоА-карбоксилази позитивними та негативними модуляторами: а) позитивним
модулятором (активатором) ферменту є цитрат. Збільшення концентрації лимонної кислоти в мітохондріях внаслідок ―перевантаження‖
ЦТК метаболічним паливом (після споживання вуглеводів, секреції в кров інсуліну, тощо) означає створення біохімічних умов для
активації анаболічних процесів, тобто запасання надлишків ацетил-КоА у вигляді жирів. Підвищений у цих умовах вихід цитрату в
цитозоль активує ацетил-КоА-карбоксилазу (малоактивну за відсутності позитивного модулятора) і спричиняє утворення малоніл-КоА
—
джерела
двовуглецевих
радикалів
для
біосинтезу
жирних
кислот;
б) негативними модуляторами (алостеричними інгібіторами) ацетил-КоА-карбоксилази є пальмітоїл-КоА та стеароїл-КоА — кінцеві
метаболіти біосинтетичного шляху. Накопичення в цитозолі продуктів біосинтезу за принципом негативного зворотного зв’язку
гальмує
швидкість
їх
утворення.
1.2. Шляхам ковалентної модифікації ацетил-КоА-карбоксилази за рахунок її цАМФ-залежного фосфорилювання (утворення
неактивної форми ферменту) та дефосфорилювання (утворення активної форми ферменту). Слід зауважити реципрокний характер
зміни активності процесів ліпогонезу та ліполізу в умовах дії на клітини жирової тканини та печінки фізіологічних стимулів, що
позитивно (адреналін, норадреналін, глюкагон) та негативно (інсулін) впливають на активність аденілатциклази і внутрішньоклітинний
рівень
цАМФ.
1.3. Шляхам зміни активності синтезу; ацетил-КоА-карбоксилази: а) збільшення активності синтезу ферменту (ферментна індукція)
спричиняється додатковим надходженням в організм та в клітини відповідних органів глюкози (споживання високовуглеводної дієти)
та зменшенням вмісту в продуктах харчування жирів; б) пригнічення активності синтезу ферменту спостерігається в умовах
голодування або споживання дієти, збагаченої жирами.
2. Регуляція на рівні комплексу синтезу жирних кислот
Активність синтетазного комплексу (циклу Лінена) регулюється також як механізмами алостеричного контролю, так і механізмами
ферментної індукції.
2.1. Алостерична активація окремих ферментів мультиензимного комплексу здійснюється за рахунок позитивного впливу
фосфорильованих моносахаридів. Збільшення концентрації цукрофосфатів є метаболічним сигналом, що свідчить про високу
активність гліколізу та створює біохімічні умови для спрямування обміну речовин у напрямку анаболічних процесів.
2.2. Зміни в активності процесів синтезу окремих ферментів синтетазного комплексу відбуваються в напрямках і метаболічних умовах,
зазначених для ацетил-КоА-карбоксилази.
9.
Біосинтез моно- та поліненасичених жирних кислот в організмі людини.
Мононенасичені кислоти — пальмітоолеїнова С16., та олеїнова С18., містять подвійний зв’язок між 9-м та 10-м атомами вуглецю. Ці
жирні кислоти можуть утворюватися в організмі людини за рахунок дегідрування відповідних насичених кислот (пальмітинової С16 та
стеаринової С18):208стр . Утворення зазначеного подвійного зв’язку здійснюється за участю системи десащраціїжирних кислот {ацилКо А - оксигенази), що належить, за механізмом дії, до мікросомальних монооксигеназ (оксигеназ мішаної функції‖), які потребують
для
свою
функціонування
НАДФН
(або
НАДН)
та
включають
цитохром
Ь5
електронтрансиоргнот ланцюга, локалізованого в мембранах ендоплазматичного ретикулума гепатоцитів:
2.
Поліпепасичені
жирні
кислоти.
Поліненасичені
кислоти
—
лінолева
С
та
а-ліноленова
—
попередники
в
утворенні
інших,
життєво
необхідних
ацилів,
не
можуть
синтезувалися
в клітинах людського організму у зв’язку з відсутністю ферментних систем, що необхідні для утворення додаткових подвійних зв’язків
між (трикутник)9-пОДВІЙННМ зв’язком і метильним кінцем жирної кислоти. Зазначені ферменти присутні в багатьох рослинних
організмах,
і
тому
існує
потреба в постійному надходженні лінолевої та а-ліноленової кислот в організм як компонентів рослинної їжі, що є незамінними
факторами харчування (―есенціальні жирні кислоти‖).
10.
Біосинтез триацилгліцеролів та фосфогліцеридів.(210-211форм)
триацилгліцеролів
1. Утворення активованої форми гліцеролу — гліцерол-3-фосфату (альфа-гліцерофосфату). Цей процес може відбуватися за одним із
двох механізмів: 1.1.
Шляхом фосфорилювання гліцеролу за участю ферменту гліцеролфосфокінази :::: гліцерол + АТФ
іліцерол-3-фосфат + АДФ
1.2. Шляхом відновлення діоксіацетонфосфату — інтермедіату гліколітичного розщеплення глюкози.
Реакція
каталізується
НАДН-залежною
гліцерол-3-фосфат-дегідрогеназою
(альфа-гліцерофосфатдегідрогеназою):
діоксіацетонсфосфат+НАДН+Н---гліцерол-3-фосфат+НАД
2. Ацилювання гліцерол-3-фосфаіу з утворен-ням фосфатидної кислоти за рахунок двох молекул активованих жирних кислот — ацилКоА. Процес відбувається в два етапи: 2.1. Перше ацилювання за участю ферменту гліц ерол-3-фосфатацилтрансферази з утворенням 1-
ацилгліцерол-З-фосфату (лізофосфатидсопу). 2.2. Друга ацилювання за участю ферменту 1-аципгліцерол-З -фосфатацилтрансферази з
утворенням 1,2- діацилгліцерол -3-фосфату (фосфатидноої кислоти).
У цьому ацилюванні бере участь залишок
ненасиченої
жирної
кислоти.
3.Гідроліз
фосфатидної
кислоти
до
1,2-діацил-гліцеролу
(дигліцериду)
за
участю
ферменту
фосфатидат-фосфогідролази:
4.Ацилювання 1,2-діацилгліцеролу третьою молекулою ацил-КоА (фермент діацилглїцеролацилтрансфераза) з утворенням
триацилгліцеролу.
фосфогліцеридів
гліцерин ---гліцерол-3-фосфат фосфатидна кислота
Після
утвфення
фосфатидної
кислоти
реакції
синтезу
триацигліцеролів
та
фосфогліцеридів дивергують. Розглянемо схему синтезу найбільш поширених мембраннних фосфогліцеридів на прикладі утв
фосфатидилхоліну та фосфатидилетаноламіну. У разі біосинтезу зазначених фосфогліцеридів до 1,2-діацилгліцеролу, що утворюється в
результаті гідролізу фосфатидної кислоти, приєднується гідрофільна голівка, яка містить аміноспирт (холін або етаноламін).
Особливістю процесу є використання в реакції активованих форм аміноспиртів — комплексів холіну : (СН3)3N—сн2—СН2-ОН + АТФ
— (СН 3)N-сн 2-СІH 2-О-(p)+ АДФ
з ЦДФ, які утвр за рахунок таких реакцій: (213стр)
1) активації холіну (етаноламіну) шляхом АТФ-залежного фосфорилювання аміноспирту;
2) взаємодії фосфохоліну (або фосфоетаноламіну) з нуклеозидтрифосфатом ЦТФ з утворенням ЦДФ-холіну (ЦДФ-етаноламіну);
3) взаємодії ЦДФ-холіну (ЦДФ-етаноламіну) з 1,2-діацилгліцеролом з утворенням фосфатидилхоліну (фосфатидилетаноламіну).
11.
Метаболізм сфінголіпідів. Генетичні аномалії обміну сфінголіпідів-сфінголіпідози.
Катаболізм сфінголіпідів здійснюється шляхом послідовною розщеплення їх молекул за участю лізосамальних гідролаз. 1.
Сфінгомиліни розщеплюються до цераміду та фосфохоліну за участю сфінгомієлінази: сфінгомієлін ---**церамід + фосфохолін
2.
Глікосфінголіпіди.
Розщеплення
глікосфінголіпідів
починається
відщеплення моносахаридних залишків від олігосахаридною кінця молекул. 215стр схема
із
поступовою
На схемі подані сіаловані гангліозиди (тобто такі, що зв’язані з N-ацетилнейраміновою кислотою — NеиАс).
Спадкові хвороби, пов’язані з аномальним накопиченням в головному мозку та інших тканинах сфінголіпідів та продуктів їх
метаболізму, структурним компонентом яких є цераміди, отримали назву сфінголіпідозів. Сфінголіпідози є ензимонатіями з класу
ліпідозів, що, подібно до глікозидозів, належать до ―лізосомальних хвороб‖, спричинених генетичними дефектами в синтезі певних
гідролітичних ферментів катаболізму складних біомолекул. Найбільш поширеними є такі сфінголіпідози: 1)Хвороба Німина-Піка —
сфінголіпідоз,
спричинений
порушенням
синтезу
сфінгомієлінази,
що
супроводжується
накопиченням
у
головному
мозку,
селезінці
та печінці хворих сфінгачієліну.2) Хвороба Тея-Сакса — генетична хвороба, спричинена дефектом у синтезі гексозамінідази, що
відщеплює термінальний N-ацетилгалакторазамін від гангліозиду G12, який в аномальних кількостях накопичується в головному
мозку.3) Хвороба Гоше— сфінголіпідоз, генетичний дефект при якому полягає в недостатньому синтезі глюкоцереброзидази —
ферменту, що відщеплює залишок глюкози від молекул глюкоцереброзидів, які накопичуються в ретикулоендотеліальній системі.
12.
Біосинтез холестерину: схема реакцій, регуляція синтезу холестерину.
Схема-219
Регуляція біосинтезу холестерину. Лімітуючим етапом у процесі біосинтезу холестерину є реакція утворення мевалонату з бета-ГОМК,
що каталізуєтьсяб бета-ГОМК-редуктазою. Гальмування швидкості процесу здійснюється за принципом негативною зворотного
зв’язку, коли накопичення кінцевою продукту анабопічного шляху- холестерину зменшує його утворення. Інгібітором ферменту є
холестерин або холестерино вмісний ліпопротеїн ЛПНЩ. Відповідно до таких механізмів, споживання холестерину з їжею гальмує
його утворення в печінці, а безхолестеринова дієта, навпаки, активує ендогенний синтез холестерину в гепатоцитах.
13.
Шляхи біотрансформації холестерину: етерифікація; утворення жовчних кислот, стероїдних гормонів , вітаміну D3.
Етерифікація
Переважна частина холестерину тканин і близько 65 % холестерину плазми етерифіковано вищими жирними кислотами в положенні С3. Синтез ефірів холестерину в плазмі крові та в клітинах відбувається за різними механізмами. 1. Зовнішньоклітинна етерифікація
холестерину здійснюється ферментом лецитин (фосфатидилхолін)-холестерин-ацилтранаферазою (ЛХАТ) плазми. ЛХАТ каталізує
реакцію перенесення ацильного залишку з 2-го (бета-) положення фосфатидилхоліну на гідроксильну групу холестерину: холестерол +
фосфатидилхолін--- холестерол-ефір + лі зофосфатидилхолін
Для етерифікації холестерину використовуються ненасичені жирні кислоти: лінолева та олеїнова . Найбільш активно реакція
відбувається в ліпопротеїнах крові ЛПВЩ 2. Внутрішньоклітинна етерифікація холестерину перебігає за участю ацил-КоАхолестерин-ацилтрансферази (АХАТ): холестерол + ацил-КоА --- холестерол-ефір + КоА-SН
Утв Жовчних КИСЛОт!11
Жовчні
кислоти
с
гідроксильованими
похідними
холанової
кислоти;
до них належать такі сполуки: холева (3,7,12-триоксихоланова), дезоксихолева (3,12-діоксихоланова), хенодезоксихолева (3,7діоксихоланова) та літохолева (3-оксихоланова) кислоти. Холева та хенодезоксихолева кислоти (первинні жовчні кислоти)
утворюються в печінці при гідроксилюванні циклопентанперпдрофенантренового циклу та частковому окисленні в боковому ланцюзі
молекули
холестерину.
Першим
етапом
у
біосинтезі
жовчних
кислот
є
7-альфа-гідроксилювання
холестерину, що каталізується ферментом мембран ендоплазматичного ретикулума 1альфа-гідроксилазою, який є однією з ізоформ
цитохрому Р-450 та функціонує за участю НАДФН, кисню та вітаміну С (аскорбінової кислоти).7альфа-Гідроксилаза — регуляторний
фермент, що є активним у фосфорильованій і малоактивним — в дефосфорильваній формі. Жовчні кислоти — кінцеві продукти цього
метаболічного шляху — пригнічують активність ферменту за принципом негативною зворотного зв’язку. Після утворення 7альфагідроксихолестеролу шлях біосинтезу жовчних кислот дихотомічно розгалужується: одна з гілок веде до утворення холевої кислоти,
друга — хенодезоксихолевої. Ці сполуки надходять із гепатоцитів у жовчні капіляри і депонуюються в жовчному міхурі, надходячи з
нього до порожнини дванадцятипалої кишки. При дії ферментів мікроорганізмів, що містяться в кишечнику, утворюються вторинні
жовчні кислоти — дезоксихолева та літохолева.
Стероїдні гормони
Першим етапом на шляху синтезу з холестерину стероїдних гормонів надниркових залоз (кортикостероїдів) є утворення С21-стероїду
прегненолону— безпосереднього попередника прогестагену прогестерону (С21), який у клітинах надниркових залоз перетворюється на
кортикостероїди (С21): глюкокортикоїд кортизол та мінералокортикоїд альдостерон.Гормони чоловічих та жіночих статевих залоз
також утворюються з холестерину через стадію прегненолону та прогестерону, який у цих органах перетворюється в 17-альфагідроксипрогестерон — попередник андрогону (С19)— тестостерону та естрогонів (С18) — естрону та естрадіолу.
Вітамін д3
Перетворення холестерину у вітамін Д 3 — холекальциферол — потребує розщеплення кільця циклопентанпергідрофенантрену з
утворенням провітаміну д3, який підлягає реакціям окисного гідроксилювання з утворенням біологічно активної форми вітаміну —
1,25дигідроксихалекальциферолу (кальцитріолу). Схема 16.3 223 стр.
14.
Циркуляторний транспорт та депонування ліпідів у жировій тканині. Ліпопротеїнліпаза ендотелію.
Під дією панкреатичної ліпази та за участю жовч них кислот, які виробляються в печінці, триацилгліцероли продуктів харчування
розщеплюються з утворенням 2-моноацилгліцеролів (моногліцеридів) та двох молекул вільних жирних кислот, що можна подати таким
сумарним рівнянням: стр 224
Зазначені продукти гідролізу (вищі жирні кислоти, моногліцериди) абсорбуються клітинами слизової оболонки тонкої кишки
(ентероцитами). Холестерин продуктів харчування всмоктується у вільному стану, холестериди — після відповідного гідролізу
холестеролестеразою. Усередині ентероцитів продукти гідролізу триацигліцеролів, що всмокталися, беруть участь у двох біохімічних
процесах, які є передумовою подальшого надходження нейтральних жирів у кров, біотранспорту та їх тканинного депонування, а саме:
реетерифікації
вищих
жирних
кислот
з
утворенням
нових
молекул
триацилгліцеролів; - формування транспортних форм триацилгліцеролів — хіламікронів.
Ресинтез триацилгліцеролів в ентероцитах
Оскільки 2-моноацилгліцероли е основними продуктами гідролізу триацилгліцеролів, що абсорбуються епітеліоцитами кишечника,
реетерифікація жирних кислот усередині цих клітин перебігає моногліцеридним шляхам, що включає такі реакції:
Утворення 1,2-моноацилгліцеролів (реакція каталізується кишковим ферментом моноацилгліцерол-ацилтрансферазою):с тр 225
Утворення триацилгліцеролів за участю діацигліцерол-ацилтрансферази: стр 225
Хіломікрони є основною молекулярною формою, у вигляді якої нейтральні жири (триацилгліцероли) проходять через латеральну
мембрану ентероцитів і через систему лімфатичних судин (лактеалей) потрапляють у лімфатичний протік, а потім — у кров (через
v.subclavia sin.).
Ліпопротеїнліпаза— ферментний білок, адсорбований на глікозамінгліканах поверхні ендотелію і має центр зв’язування ліпопротеїнів
крові та каталітичний центр гідролізу триацилгліцеролів. Під дією ліпопротеїнліпази утворюються вільні жирні кислоти та гліцерин,
що проникають через судинну стінку всередину клітин, де окислюються з вивільненням енергії (в міоцитах тощо) або депонуються у
вигляді резервних триацилгліцеролів (в адипоцитах жирової тканини). Ліпопротеїни, що утворюються внаслідок деліпідизації ХМ та
ЛПДНЩ
—
залишкові,
або
ремнантні
ліпопротеїни,
збагачені
(порівняно з ХМ та ЛПДНЩ) вільним та етерифікованим холестеролом. Ремнанти ХМ поглинаються з крові клітинами печінки, які
використовують більшість холестерину цих ліпопротеїнів для синтезу жовчних кислот. Ремнанти ЛПДНЩ отримали назву ЛППЩ і є
безпосередніми попередниками в утворенні ЛПНЩ.
15.
Ліпопротеїни плазми крові: ліпідний та білковий (апопротеїни) склад. Гіперліпопротеїнемії.
За своєю молекулярною будовою ліпопротеїни плазми крові — це кулеподібні структури — міцели, всередині яких міститься
гідрофобна ліпідна серцевина (ядро), що складається переважно з триацигліцеролів та ефірів холестерину. Гідрофобне ядро вкрите
шаром полярних амфіпатичних фосфолілідів, периферичних та інтегральних білків. Схема 16.4
Окремі класи ліпопротеїнів розрізняються також за складом білків, що входять до них. Білки, які входять до складу ліпопротеїнів
плазми крові людини, отримали назву аполіпопротеїнів (апопротеїнів, апобілків). Існує п’ять основних сімейств таких білків (А, В, С,
О, Е), до яких належать десять основних апопротеїнів: А-1, А-2, А-4, В-48, В-100, С-1, С-2, С-3, О та Е, що входять до складу певних
ліпопротеїнів у різних кількісних співвідношеннях.
Гіперліпопротеїнемія — клініко-біохімічний синдром, при якому в плазмі крові людини спостеріідеться підвищення (порівняноз
нормою для певної популяції) концентрації певних класів ліпопротеїнів, а також триацилгліцеролів та холестерину. За механізмом
походження виділяють:
- первинні (спадкові) гіперліпопротеїнемії, тобто такі, що спричинені генетичними дефектами в синтезі певних ферментів обміну
ліпідів крові (зокрема,ліпопротеїнліпази, холестерол-ацилтрансферази) або неферментних білків — порушеннями в синтезі певних
апопротеїнів, рецепторів для анобілків та ліпопротеїнів (зокрема ЛПНЩ);
- вторинні (набуті) гіперліпопротеїнемії— гіперліпонротеїнемії, що розвиваються внаслідок певних хвороб внутрішніх органів
(гепатит, цироз печінки, нефроз), ендокринопатій (порушення функції щитовидної залози, статевих залоз, цукровий діабет), дії
пошкоджуючих факторів середовища (хронічний алкоголізм).
16.
Патології ліпідного обміну: атеросклероз, ожиріння, цукровий діабет.
Атеросклероз — хвороба, головним проявом якої є відкладання в судинних стінках ліпідних утворень — ―бляшок‖, основними
біохімічними компонентами яких с холестерин та його ефіри. Навкруги ліпідних бляшок в інтимі судин виникає клітинна реакція, що
включає в себе утворення фіброзної тканини та проліферацію гладенько-м’язових клітин. Атеросклеротичні бляшки спричиняють
звуження
кровоносних
судин,
посиленне
згортання
крові
в
ділянках
їх
локалізації
та, як результат, порушення кровопостачання відповідних органів і тканин. Як наслідок атеросклерозу розвиваються ішемічна хвороба
серця, інфаркт міокарда й порушення церебрального кровообігу, що стають важливою причиною смерті людей дорослого та похилого
віку. Біохімічною основою розвитку атеросклерозу є підвищена концентрація в крові людини холестерину—
гіперхолестеринемія,спричинена різними факторами —дієтарними, ендокринними, генетичними.
Ожиріння- стан, що характеризується надмірним накопиченням у жировій тканині триагцигліцеролів.
Ожиріння розвивається внаслідок перевищення надходження та біосинтезу в тканинах нейтральних жирів (та інших біомолекул, які
можуть перетворюватися в жири) над реальними енергетичними потребами організму в цих видах метаболічного палива. Найбільш
несприятливе значення для розвитку ожиріння має постійне надмірне надходження з продуктами харчування вуїлеводів (особливо
глюкози
та
фруктози)
в
кількостях,
більших
за
ті,
що
безпосередньо
окислюються
в клітинах і можуть депонуватися у вигляді резервів глікогену.
Цукровим діабет традиційно розілядається як патологія, що первинно пов’язана з порушеннями вуглеводного обміну. Дійсно, найбільш
характерним біохімічним проявом різних типів цукровою діабету в клініці гіперглікемія(гіперглюкоземія), яка розвивається внаслідок
втрати специфічною виливу інсуліну на проникність клітинних мембран для глюкози. Але метаболічні ефекти інсуліну
розповсюджуються на багато аспектів обміну глюкози, ліпідів та амінокислот, у зв’язку з чим цукровий діабет є хворобою, при якому
відбуваються глибокі порушення не тільки вуплеводного, але й ліпідного та білкового обмінів. Розрізняють інсулінозалежний цукровий
діабет (діабет І типу, ювенільний діабет) та інсулінонезалежний цукровий діабет (діабет 2го типу, діабет похилого віку).
Метаболізм амінокислот. Ензимопатії амінокислотного обміну.
1. Пул вільних амінокислот в організмі: шляхи надходження та використання вільних
амінокислот в тканинах.
Кількість амінокислот, що перетворюються за добу, складає в організмі дорослої здорової
людини в стані азотистої рівноваги 300-500 г, а стаціонарна їх концентрація дорівнює близько
50-100 г на масу тіла.
Потік амінокислот що входить в організм з амінокислотного пулу складається з таких джерел:
1. Амінокислот, які всмоктуються ентероцитами кишечника внаслідок гідролізу
харчових білків у травному каналі
2. Амінокислот, які вивільняються в результаті розщеплення власних клітинних і
позаклітинних білків.
3. Амінокислот, які синтезуються в організмі.
Потік амінокислот, що виходить з амінокислотного пулу, включає анаболічні і
катаболічні шляхи перетворення вільних амінокислот і складається з таких компонентів:
1. Використання амінокислот для синтезу білків організму.
2. Використання амінокислот, які не включені в анаболічні процеси, в катаболічних
реакціях.
2. Трансамінування амінокислот: реакції та їх біохімічне значення, механізми дії
амінотрансфераз.
Амінотрансферазні реакції
У різних тканинах організму людини і тварин міститься більше десяти різних амінотрансфераз,
що розрізняються за своєю субстратною специфічністю.
Найбільш поширеними є такі амінотрансферази:
(1) аланінамінотрансфераза (глутамат-піруваттрансаміназа - ГПТ):
L-аланін + а-кетоглутарат = Піруват + L-глутамат
(2) аспартатамінотрансфераза (глутамат-оксалоацетаттрансаміназа - ГОТ):
L-аспартат + а-кетоглутарат = Оксалоацетат + L-глутамат
(3) тирозинамінотрансфераза:
L-тирозин + а-кетоглутарат = р-гідроксифенілпіруват + L-глутамат
(4) лейцинамінотрансфераза:
L-лейцин + а-кетоглутарат = а-кетоізокапроат + L-глутамат
Реакції трансамінування, що каталізуються амінотрансферазами, активно перебігають в
багатьох органах, найактивніше - в печінці, скелетних м’язах, міокарді, головному мозку,
нирках. Визначення активності аланіналйнотрансферази (аламінової трансамінази - АлАТ) та
аспартатамінотрансферази (аспарагінової трансамінази - АсАТ) широко застосовується в
медичній практиці з мстою діагностики пошкоджень внутрішніх органів. Внаслідок виходу цих
ферментних білків через ушкоджені клітинні мембрани в кров при інфаркті міокарда
спостерігається значне
підвищення активності в сироватці крові АсАТ, при вірусних та токсичних пошкодженнях
печінки - АлАТ.
Механізм дії
3. Пряме та непряме дезамінування вільних L-амінокислот в тканинах.
4. Декарбоксилювання L -амінокислот в організмі людини. Фізіологічне значення
утворених продуктів. Окислення біогенних амінів.
Реакція дскарбоксилування амінокислот полягає у відщепленні діоксиду вуглецю
від молекули амінокислоти з утворенням амінів (біогенних амінів), значна частина
яких має високу фізіологічну активність як гормони, нейромедіатори, або є їх попередниками чи
метаболітами:
Реакція каталізується ферментами - декарбоксилазами амінокислот, коферментом яких є
піридоксальфосфат, що в ході каталітичного акту утворює з амінокислотами шифові основи,
подібні до розглянутих в реакціях транс амінування. Декарбоксилази амінокислот є
стереоспецифічними ферментами, що діють тільки на L-стереоізомери.
Дскарбоксилуванню можуть підлягати як ациклічні, так і циклічні амінокислоти; в сечі людини
знайдено близько сорока різних біогенних амінів.
Процеси декарбоксилування амінокислот активно перебігають у порожнині товстої кишки під
дією ферментів мікроорганізмів, що є компонентами нормальної мікрофлори травного тракту
людини (“бактеріальне гниття білків у кишечнику”).
Прикладами реакцій декарбоксилування амінокислот у кишечнику є утворення
токсичних діамінів, т.з. птомаїнів (“трупних отрут”) з діаміномонокарбонових кислот орнітину
та путресцину.
Зокрема, продуктом декарбоксилування орнітину (а, 8-діаміновалсріанової кислоти) є
тетраметилендіамін путресцин, а продуктом декарбоксилування лізину (а, є діамінокапронової
кислоти) - пентаметилендіамін кадаверин.
Окислення біогенних амінів
Накопичення біогенних амінів в організмі спричиняє несприятливі патофізіологічні
зміни з боку серцево-судинної системи, кишечника, інших гладком’язових органів.
Знешкодження (детоксикація) фізіологічно активних амінів відбувається в клітинах
печінки за участі моноамінооксидази мітохондрій - ФАД-залежного ферменту, що
спричиняє окислювальне дезамінування амінів до альдегідів:
Альдегіди - продукти дезамінування біогенних амінів - окислюються до відповідних
кислот і підлягають подальшій окислювальній деградації або екскретуються з організму із
сечею. Аміак надходить у систему синтезу сечовини.
5. Шляхи утворення та знешкодження аміаку в організмі.
Головним у кількісному відношенні джерелом наконичення аміаку в організмі людини є
окислювальне дезамінування амінокислот, тобто білковий катаболізм: азот сечовини - кінцевого
азотовмісного продукту дсградацї білків – складає близько 90 % всього азоту, що екскретується
Додатковими джерелами ендогенного аміаку є реакції дезамінування біогенних амінів,
азотистих основ, які утворюються при катаболізмі нуклеотидів. Значна кількість вільного
аміаку всмоктується в кров із системи
ворітної вени (v. porta) внаслідок його утворення при катаболізмі азотовмісних біоорганічних
сполук (головним чином, білків продуктів харчування) кишковими бактеріями.
Основним джерелом утворення аміаку в тканині головного мозку є реакція гідролітичного
дезамінування АМФ до інозинмонофосфату (ІМФ), що каталізується ферментом
аденозиндезаміназою:
АМФ+H2O --- ІМФ+NH3
Аміак, що вивільняється, знешкоджується в результаті глуглутамінсинтетазної реакції,
утворюючи з L-глутамату глутамін, який виводиться з головного мозку.
Основной реакцией связывания аммиака, протекающей во всех тканях организма, явля ется
синтез глутамина под действием глутаминсинтетазы:
Ещё одной реакцией обезвреживания аммиака в тканях можно считать синтез аспарагина под
действием аспарагинсинтетазы.
73. Біосинтез сечовини: послідовність ферментних реакцій біосинтезу, генетичні
аномалії ферментів циклу сечовини.
1. Утворення з аміаку та дюксиду вуглецю за участю АТФ карбамоїлфосфату:
Реакція каталізується карбамоїлфосфатсинтетазою. Джерелом аміногрупи (у вигляді молекули
аміаку) с глутаматдегідрогсназна реакція.
2. Перенесення карбамоїльної групи на орнітин з утворенням цитруліну (фермент орнітинкарбамоїлтрансфераза):
3. Акцептування другої аміногрупи шляхом взаємодії цитруліну з L-аспартатом
(фермент - аргініносукцинатсинтетаза):
4. Розщеплення аргініносукцинату при дії ферменту аргініносукцинатліази; продуктами реакції
є: аргінін - безпосередній попередник сечовини - та фумарат:
5. Гідроліз аргініну при дії ферменту аргінази з утворенням сечовини та регенерацією орнітину (завершення метаболічного циклу):
Генетичні дефекти ферментів синтезу сечовини
Існують спадкові ензимопатії, спричинені повним або частковим дефектом утворення в печінці
окремих ферментів циклу сечовиноутворення. Найважчими клінічними проявами
характеризуються порушення синтезу карбамоїлфосфатсинтетази
та орнітинкарбамоїлтрансферази. Діти з такими генетичними дефектами страждають
вираженою енцефалопатією, прояви якої дещо послаблюються в умовах повного виключення
споживання харчових білків.
74. Загальні шляхи метаболізму вуглецевих скелетів амінокислот в організмі людини.
Глюкогенні та кетогенні амінокислоти.
Двадцять L-амінокислот, що розрізняються за своєю хімічною структурою, біологічною роллю та особливостями метаболізму, входять до складу білків організму і
присутні в клітинах та екстрацелюлярних просторах у вільному стані. Безазотисті
скелети вільних амінокислот, які утворюються в результаті трансаміпувашія та дезамінування, - це метаболіти гліколізу, цитратного циклу, Р-окислення жирних кислот
або речовини, що можуть перетворюватися в інтермедіати цих головних катаболічних шляхів організму.
Глюкогенні амінокислоти
L-Амінокислоти, що метаболізуються в циклі трикарбонових кислот, можуть включати свої
вуглецеві скелети в молекули глюкози. Ці амінокислоти, використання яких у синтезі глюкози
реалізується після їх входження в ЦТК через ацетил-КоА,
а-кетоглутарат, сукциніл-КоА та фумарат, отримали назву глюкогенних амінокислот.
Кетогенні амінокислоти
Дві L-амінокислоти включаються в катаболізм тільки через ацетоацстил-КоА, який
у клітинах печінки може перетворюватися на кетонові тіла ацетоацетат та
β-гідроксибутират. Це - кетогенні амінокислоти. Деякі амінокислоти віддають свої
вуглецеві фрагменти на утворення як глюкози, так і кетонових тіл.
Кетогенез із амінокислот має особливо негативне значення при деяких порушеннях
ферментних процесів, зокрема при некомпенсованому цукровому діабеті, у зв’язку з
чим таким хворим рекомендується обмежувати надходження кетогенних амінокислот у складі продуктів харчування.
75. Біосинтез та біологічна роль креатину і креатинфосфату.
Креатин - азотиста сполука, яка у вигляді креатинфосфату має важливе значення в
енергозабезпеченні функції м’язів.
Біосинтез креатину відбувається за участю амінокислот гліцину, аргініну та метіоніну. Процес синтезу складається з двох стадій:
1-ша стадія - відбувається в нирках і полягає в утворенні глікоціаміну (гуанідинацетату) із
аргініну та гліцину (фермент гліцинамідинотрансфераза)'.
2-а стадія - відбувається в печінці, куди тікоціамін надходить з током крові, і полягає в
метилюванні глікоціаміну до креатину за участю 8-аденозилметіоніну (фермент
гуанідинацетатметилтрансфераза):
Фосфорилування креатину при дії креатинфосфокінази генерує креатинфосфат - джерело
термінової регенерації АТФ при м’язовому скороченні. Незворотна
нсфермснтативна дегідратація і дефосфорилування
крсатинфосфату призводить до
утворення ангідриду креатину - креатиніну.
У формі креатиніну з організму людини виділяється із сечею
значна
частина азоту
амінокислот; у здорової людини виділення креатиніну
пропорційне масі м’язових тканин і значно збільшується за
умов
травматичних пошкоджень м’язів.
76. Глутатіон: будова, біосинтез та біологічні функції глутатіону
Глутатіон - трипептид γ-глутамініл-цистеїннл-гліцин, що має у своєму складі вільну
сульфгідрильну групу:
Глутатіон міститься в клітинах тваринного організму у високій концентрації (близько
5 мМ). Глутатіон оборотно перетворюється з відновленої (Г-SН) до окисленої
(Г-S-S-Г) форми, відіграючи роль буфера SН-груп.
Біохімічна функція глутатіону в організмі пов’язана з відновленням і детоксикацією органічних
пероксидів - похідних пероксиду водню НО-ОН, у молекулі якого один (гідропероксиди) або
обидва (алкілпероксиди) атоми водню заміщені
на
алкільні радикали:
R-O-O-H
R-O-O-R
При взаємодії глутатіону з гідропероксидом
утворюються нешкідливі органічні спирти, що підлягають подальшому окисленню:
Реакція каталізується ферментом
глутатіонпероксидазою, що містить в активному центрі атом селену (Sе).
Зворотне відновлення Г-SS-Г до Г-SH
каталізується НАДФН-залежною
глутатіонредуктазою.
77. Спеціалізовані шляхи метаболізму циклічних амінокислот - фенілаланіну, та тирозину
Особливістю метаболізму в тваринних організмах циклічних амінокислот фенілаланіну та тирозину є утворення з них численних фізіологічно активних сполук гормональної та медіаторної дії, а саме: катехоламінів (адреналіну, норадреналіну), тиреоїдних гормонів, меланінів (рис. 18.7).
1. Шляхи метаболізму фенілаланіну
1.1. Катаболічний шлях обміну полягає у втраті фенілаланіном аміногрупи (в реакції трансамінування) з утворенням фенілпірувату та кінцевого метаболіту фенілацетату, що екскретується з організму.
1.2. Шлях синтезу фізіологічно активних сполук починається з перетворення фенілаланіну на тирозин при дії ферменту фенілаланіпгідроксилази з подальшим перетворенням тирозину (див. нижче).
2. Шляхи метаболізму тирозину
2.1. Катаболічний шлях обміну полягає у трансамінуванні тирозину і перетворенні
його на р-оксифенілпіруват, який окислюється до гомогентизинової кислоти у склад-
ній реакції, коферменту роль у якій виконує аскорбінова кислота (вітамін С); подальші
перетворення полягають в окисленні гомогентизату до фумарилацетоацетату (фермент оксидаза
гомогентизинової кислоти) та розщепленні фумарилацетоацетату
до фумарату та ацетоацетату.
2.2. Шлях синтезу катехоламінів та меланінів (пігментів шкіри). Шлях починається
з окислення тирозину за участю специфічної гідроксилази до 3,4-діоксифенілаланіну
(ДОФА), на рівні якого відбувається дивергенція двох обмінних шляхів: утворення
катехоламінів (через декарбоксилування до дофаміну) та меланінів (через окислення
тирозиназою до дофахінону).
2.3. Шлях синтезу тиреоїдних гормонів-реалізується в клітинах щитовидної залози і полягає в утворенні йодованих тиронінів.
78. Спадкові ензимопатії обміну циклічних амінокислот - фенілаланіну та тирозину.
Фенілкетонурія - ензимопатія, спричинена генетичним дефектом синтезу фенілаланінгідроксилази. Внаслідок блокування утворення тирозину з фенілаланіну останній у збільшеній кількості надходить на шлях утворення фенілпірувату та фенілацетату, які в надмірних концентраціях накопичуються в організмі хворих. Концентрація фенілаланіну в крові хворих зростає в десятки разів, досягаючи 100-800 мг/л (норма -10-40 мг/л). Патологія проявляє себе ранніми порушеннями психічного розвитку
дитини - фенілпіровиноградна олігофренія (oligophrenia phenylpyruvica).
Алкаптонурія - ензимопатія, викликана генетично детермінованою недостатністю
ферменту оксидази гомогентизиповоїкислоти. Характерним проявом захворювання
є надмірне виділення гомогентизинової кислоти із сечею, яка при додаванні лугів набуває темного забарвлення; акумуляція гомогентизагу в тканинах суглобів призводить до розвитку артритів.
Альбінізм - ензимопатія, біохімічною основою якої є спадкова недостатність ферменту тирозинази, що каталізує реакції, необхідні для утворення чорних пігментів
меланінів. Відсутність меланінів у меланоцитах шкіри проявляється недостатньою
(або відсутньою) пігментацією шкіри та волосся, підвищеною чутливістю шкіри до
сонячного світла, порушенням зору.
79. Метаболізм порфіринів: будова гему; схема реакцій біосинтезу протопорфірину IX та
гему.
Катаболізм гемоглобіну та гему (схема); утворення і будова жовчних пігментів.
Процес катаболізму гемоглобіну та його порфіринової простетичної групи гему складається з наступних етапів.
1. Розрив тетрапірольного кільця гему (у складі гемоглобіну) шляхом окислювального розщеплення метинового містка
між I та II кільцями протопорфіринового циклу; в результаті реакції червоний пігмент еритроцитів гемоглобін
перетворюється на зелений кров’яний пігмент вердоглобін (холеглобін):
Реакція каталізується ферментом НАДФН-залежною гемоксигеназою, що є за хімічною будовою однією з ізоформ
цитохрому Р-450, і супроводжується виділенням монооксиду вуглецю.
Перетворення гемоглобіну на вердоглобін внаслідок окислення гему спричиняє послідовну зміну забарвлення в ділянках
гематом, що утворюють «синці».
2. Розпад вердоглобіну з відщепленням білкової частини, вивільненням іона заліза та утворенням тетрапірольної
молекули білівердину.
3. Перетворення білівердину на білірубін шляхом відновлення метинового зв’язку (між піролами III, IV). Реакція
каталізується ферментом НЛДФН-залежною білівердинредуктазою:
4. Зазначені етапи утворення жовчних пігментів (1-3) відбуваються в клітинах ретикулоендотеліальної системи, з
яких білірубін надходить у кров, де адсорбується молекулами сироваткового альбуміну. Комплекс сироватковий
альбумін — білірубін транспортується в печінку, де пігмент поглинається гепатоцитами і підлягає подальшим
перетворенням.
5. Білірубін є ліпідорозчинною речовиною і у високих концентраціях проявляє мембранотоксичність, особливо для клітин
головного мозку. Детоксикація білірубіну, яка полягає в перетворенні пігменту у водорозчинну (і менш токсичну)
форму — глюкуронід білірубіну, відбувається в мембранах ендоплазматичного ретикулума гепатоцитів. У процесі
взаємодії білірубіну з УДФ-глюкуроновою кислотою (УДФГК) утворюються моно- та диглюкуроніди білірубіну:
Реакція каталізується УДФ-глюкуронілтрансферазою. Основна частина білірубіну екскретується в жовч у формі
диглюкуронідів; при порушеннях ферментативних властивостей гепатоцитів (паренхіматозні жовтяниці — див.
нижче) в крові хворих накопичуються переважно моноглюкуроніди білірубіну.
6. Глюкуроніди білірубіну («кон’югований білірубін») екскретуються гепатоцитами в жовч і у її складі надходять у
кишечник, де підлягають біотрансформації ферментами мікроорганізмів, частковому повторному всмоктуванню та
виведенню з фекальними масами («ентерогепатична циркуляція» жовчних пігментів).
Біотрансформація білірубін-глюкуронідів у кишечнику полягає у відщепленні глюкуроновї кислоти (при дії мікробної βглюкуронідази) і послідовному утворенні таких тетрапірольних сполук, як мезобілірубін і мезобіліноген (в тонкій кишці)
та стеркобіліноген (продукт, що утворюється в товстому кишечнику та виводиться з фекаліями):
Деяка кількість мезобіліногену утворюється вже в печінці і надходить у жовчний міхур разом із глюкуронідами
білірубіну. Уробіліноген та стеркобіліноген є безбарвними сполуками, що, потрапляючи в кал та сечу, окислюються до
жовтих пігментів — уробіліну та стеркобіліну.
Рис. 31.6. Схема катаболізму гемоглобіну та біотрансформації жовчних пігментів.
Патобіохімія та види жовтяниць; біохімічна діагностика жовтяниць.
Перевищення концентрації загального білірубіну сироватки крові людини понад 2-4 мг % проявляється характерною
жовтуватістю шкіри та слизових оболонок (особливо склер очного яблука) і позначається як жовтяниця(icterus —
лат.).
Причинами
виникнення гіпербілірубінемії і
розвитку
жовтяниць
є
надмірне
утворення
білірубіну
в
організмі,
пошкодження печінки з порушенням її детоксикаційної та екскреторної функцій або наявність механічних перешкод в
системі жовчовивідних шляхів, що протидіють нормальному виведенню жовчі в кишечник. Відповідно розрізняють
декілька типів жовтяниць.
Передпечінкова (гемолітична) жовтяниця — розвивається внаслідок патологічно підсиленого руйнування (гемолізу)
еритроцитів та розщеплення гемоглобіну і надмірного накопичення в крові білірубіну. Причинами такого стану
можуть бути резус-конфлікт у новонароджених, переливання несумісної крові, радіаційне ураження, дія гемотоксичних
отрут тощо.
Для передпечінкової жовтяниці характерним є збільшення концентрації в крові загального білірубіну, переважно за
рахунок непрямої фракції, тобто вільного білірубіну, який не встигає бути кон’югованим у печінці в умовах його
надмірного утворення.
Надходження
в
цих
умовах
значних
кількостей
білірубіну
в
кишечник
призводить
до
посиленого
утворення
стеркобіліногену (в деяких випадках — до 10 г), що в збільшеній кількості виділяється з калом (стеркобілін) та (після
всмоктування в товстій кишці) з сечею (уробілін сечі).
Печінкова (паренхіматозна) жовтяниця —
властивостей гепатоцитів в
походження
(вірусні,
розвивається
результаті
інфекційні,
токсичні
дії
внаслідок
порушення
пошкоджувальних
гепатити).
При
факторів
цьому
типі
структури
вірусного,
жовтяниць
та
ферментативних
бактеріального,
хімічного
спостерігається
значна
гіпербілірубінемія (збільшення концентрації загального білірубіну) внаслідок таких причин:
а) порушення кон’югації білірубіну як результат пошкодження мембран ендоплазматичного ретикулума гепатоцитів і
зменшення активності УДФ-глюкуронілтрансферази; дія цього фактора призводить до зростання рівня в крові
непрямого білірубіну;
б) порушення секреторної функції гепатоцитів, тобто їх здатності транспортувати білірубін-глюкуронід у жовч
(транспорт проти градієнта концентрації); ця обставина, а також некроз печінкових клітин призводять до
надходження в сироватку крові надмірної кількості прямого білірубіну.
Зростання в крові прямого білірубіну (білірубін-глюкуроніду), що здатен проходити через ниркові мембрани,
супроводжується (у важких випадках захворювання) появою білірубін-глюкуроніду в сечі (лабораторні проби на
наявність жовчних пігментів у сечі стають позитивними). Внаслідок порушення здатності гепатоцитів до
розщеплення тетрапіролів (що всмоктуються у вигляді мезобіліногену), ці сполуки також надходять у сечу (підвищена
реакція на «уробілін» сечі).
Післяпечінкова (обтураційна) жовтяниця — спричиняється неможливістю надходження жовчі в дванадцятипалу кишку
внаслідок закупорки жовчних шляхів (наявність пухлин, жовчнокам’яної хвороби). Цей тип жовтяниць характеризується
знебарвленням калових мас внаслідок відсутності в них стеркобіліногену («ахолічний» кал) та цілковитою відсутністю
уробіліну в сечі. Внаслідок утрудненого надходження білірубін-глюкуроніду в жовч (зростання гідростатичного тиску в
жовчних шляхах), кон’югований пігмент у збільшеній кількості всмоктується в кров, що призводить до зростання рівня
прямого білірубіну; в цих умовах можлива поява жовчних пігментів у сечі, як при паренхіматозній жовтяниці.
Ферментативні (спадкові) жовтяниці — виникають внаслідок генетичних ензимопатій, що спричинені порушеннями
експресії
генів,
які
відповідають
за
синтез
у
гепатоцитах
ферментів
кон’югації
білірубіну
(УДФ-
глюкуронілтрансферази та/або УДФГ-дегідрогенази — ферменту, що утворює УДФГК з УДФ-глюкози), його
абсорбції з крові або екскреції в жовч. Некон’югований білірубін, що накопичується в сироватці крові в надмірній
кількості, за цих типів жовтяниць може проникати через гематоенцефалічний бар’єр в головний мозок і відкладатися
в базальних гангліях та ядрах стовбура мозку, спричиняючи важкі неврологічні зрушення («ядерні жовтяниці»).
Синдром Криглера-Найяра — жовтяниця, що спричинена недостатністю синтезу УДФ-глюкуронілтрансферази
(«кон’югаційна жовтяниця»).
Хвороба Жильбера — патологічний стан, який є гетерогенною групою порушень, спричинених як блоком синтезу
УДФ-глюкуронілтрансферази,
(«абсорбційна жовтяниця»).
так
і
порушенням
здатності
гепатоцитів
до
поглинання
білірубіну
з
крові
Синдром Дабіна-Джонсона — жовтяниця, пов’язана з порушенням транспорту білірубін-глюкуроніду з гепатоцитів у
жовч («екскреційна жовтяниця ).
Ферментативні жовтяниці можуть також бути у новонароджених як тимчасовий стан, спричинений запізнілим
включенням генів, що кодують УДФ-глюкуронілтрансферазу. Терапевтичний ефект може досягатися призначенням
дітям Фенобарбіталу, який є універсальним індуктором печінкових ферментів детоксикації — як мікросомального
окислення, так і глюкуронування субстратів.
Основні механізми виникнення гіпербілірубінемій при жовтяницях різного генезу подано на рис. 31.8.
Рис. 31.8. Схема обміну білірубіну (Б) та білірубін-глюкуроніду (БГл) між кров’ю, гепатоцитами та жовчними
капілярами і їх порушення при різних типах жовтяниць: (1) гемолітичні жовтяниці — збільшене розщеплення
гемоглобіну; (2) паренхіматозні та ферментативні жовтяниці порушення кон’югації білірубіну з УДФГК; (3)
обтураційні жовтяниці — порушення нормального витоку жовчі.
Основи молекулярної біології.
1. Азотисті основи, нуклеозиди та нуклеотиди – складові компоненти молекул
нуклеїнових кислот. Мінорні азотисті основи та нуклеотиди.
Нуклеїнові кислоти — дезоксирибонуклеїнові кислоти (ДНК) та рибонуклеїнові кислоти (РНК) — це полінуклеотиди,
що складаються з мономерних ланок — нуклеотидів (мононуклеотидів).
Нуклеотиди — трикомпонентні сполуки, які побудовані з азотистої основи пуринового чи піримідинового ряду,
залишків пентоз (рибози або дезоксирибози) та фосфату.
Нуклеїнові кислоти є високомолекулярними сполуками з молекулярною масою від декількох тисяч (транспортні РНК)
до кількох мільйонів дальтон (ДНК еукаріотів). Це біополімери, які разом із білками належать до класу інформаційних
біомакромолекул. Нуклеїнові кислоти виконують ряд унікальних біологічних функцій, не властивих іншим біополімерам:
забезпечують збереження і передавання нащадкам спадкової інформації, беруть безпосередню участь у механізмах її
реалізації шляхом програмування матричного синтезу всіх білків індивідуального організму.
Нуклеотиди є структурними компонентами (мономерними ланками) молекул нуклеїнових кислот — ДНК та РНК.
Крім того, деякі рибонуклеотиди та їх похідні, що не входять до складу нуклеїнових кислот (вільні нуклеотиди),
виконують функції коферментів, кофакторів, алостеричних ефекторів різних ферментних систем. Особливе значення
вільні нуклеотиди мають у ферментних процесах, що пов’язані з акумулюванням, зберіганням та міжмолекулярним
перенесенням енергії в клітинах.
Структура нуклеотидів
За умов повного гідролізу нуклеїнових кислот (кислотного або лужного) в гідролізатах виявляють пуринові та
піримідинові азотисті основи, пентози (D-рибоза або 2-дезокси-D-рибоза) та фосфорну кислоту.
В основі структури азотистих основ нуклеотидів лежать ароматичні гетероциклічні сполуки пурин та піримідин.
Пуринові основи нуклеїнових кислот
У гідролізатах нуклеїнових кислот постійно містяться дві пуринові основи — аденін (А) та гуанін (Г), — що мають
таку будову:
Піримідинові основи нуклеїнових кислот
До складу нуклеотидів нуклеїнових кислот входять три головні піримідинові основи:
урацил (У), тимін (Т), цитозин (Ц).
Оксипохідні пурину та піримідину можуть перебувати у двох таутомерних формах — лактамних і лактимних, —
залежно від рН середовища. У складі нуклеотидів нуклеїнових кислот оксипохідні пурину та піримідину знаходяться в
лактамній формі, що сприяє утворенню міжмолекулярних водневих зв’язків між пуринами та піримідинами окремих
ланцюгів у дволанцюговій структурі молекул ДНК та в одноланцюгових РНК.
Нуклеозиди — двокомпонентні біоорганічні молекули, що складаються з азотистої основи (англ. «Base» — основа)
пуринового чи піримідинового ряду та пентози (D-рибози або 2-дезокси-D-рибози). Із точки зору хімічної структури
нуклеозиди є N-глікозидами рибози або дезоксирибози та відповідної азотистої основи. В утворенні відповідних N-
глікозидних зв’язків у піримідинових нуклеозидах беруть участь N-1 піримідину та С-1 пентози, а в пуринових—N-9
пурину та С-1 пентози.
Фосфорилювання (ацилювання фосфорною кислотою) певного гідроксилу в пентозі, що входить до складу нуклеозиду,
призводить до утворення нуклеотиду (нуклеозидфосфату). Нуклеотиди (та нуклеозиди) ДНК містять 2-дезокси-Dрибозу, РНК — D-рибозу:
Залежно
від
місця
фосфорилювання
пентозного
гідроксилу,
розрізняють
три
типи
нуклеотидів
(нуклеозидмонофосфатів, НМФ):
У результаті гідролізу нуклеїнових кислот утворюються переважно нуклеозид-5'-фосфати (НМФ). Крім різниці в
пентозах, нуклеотиди молекул РНК та ДНК розрізняються також за складом піримідинових основ (табл. 3.1).
Таблиця 3.1. Номенклатура нуклеозидів і нуклеотидів РНК та ДНК
Назви
Нуклеозиди
Нуклеотиди
Скорочені
азотистих
позначенн
основ
я
повні скороче
нуклеоти
ні укр.;
дів
англ
РНК
Пуринові:
Аденін
(А; A) Аденозин
Аденілова
кислота
(аденозин-5'-
АМФ
фосфат)
Гуанін
(Г; G) Гуанозин
Гуанілова
ГМФ
кислота
(гуанозин-5'фосфат)
Піримідинові:
Цитоз
(Ц; C) Цитидин
ин
Цитидилова
ЦМФ
кислота
(цитидин-5'фосфат)
Урацил (У; U) Уридин
Уридилова
УМФ
кислота
(уридин-5'фосфат)
ДНК
Пуринові:
Аденін
(А; A) Дезоксиадено Дезоксиаденілов
зин
а
дАМФ
кислота
(дезоксиаденози
н-5'-фосфат)
Гуанін
(Г; G) Дезоксигуано Дезоксигуанілов
зин
а
кислота
(дезоксигуанози
н-5'-фосфат)
Піримідинові:
дГМФ
Цитоз
(Ц; C) Дезоксицити Дезоксицитиди
ин
дин
лова
дЦМФ
кислота
(дезоксицитиди
н-5'-фосфат)
Тимін
(Т; T) Тимідин
Тимідилова
ТМФ
кислота
(тимідин-5'фосфат)
Мінорні нуклеотиди
Крім зазначених вище основних п’яти азотистих основ (двох пуринових та трьох піримідинових), до складу деяких
нуклеїнових кислот входять у відносно незначних кількостях додаткові (мінорні) азотисті основи та відповідні їм
мінорні нуклеотиди. Найбільша кількість мінорних нуклеотидів зустрічається в молекулах транспортних РНК
(тРНК) — до 5 % загального нуклеотидного складу. До мінорних нуклеотидів належать метильовані похідні звичайних
азотистих основ, зокрема, 1-метиладенін, 2-метиладенін, 6-диметиладенін, 1-метилгуанін, 7-метилгуанін, 1метилурацил,
5-оксиметилурацил,
3-метилцитозин
тощо.
ДНК
людини
містять
значну
кількість
5-
метилцитозину, інформаційні РНК — N-метильовані похідні аденіну та гуаніну.
Нуклеотидом незвичайної структури, що входить до складу тРНК, є псевдоуридин(Ψ) — нуклеотид, в якому рибоза
приєднана до урацилу в 5-му положенні, тобто не азот-вуглецевим, а вуглець-вуглецевим зв’язком.
2. Вільні нуклеотиди (АТФ, НАД, НАДФ, ФАД, ФМН, ЦТФ, УТФ; 3',5'-АМФ,
3',5'-ГМФ) та їх біохімічні функції.
Біохімічні функції вільних нуклеотидів:
1. Участь в енергетичному обміні (реакціях окисного фосфорилювання) — функцію виконують нуклеотиди аденілової
системи (АТФ, АДФ). Ці ж нуклеотиди та АМФ можуть бути алостеричними модуляторами певних регуляторних
ферментів, зокрема ферментів гліколізу, біосинтезу пуринових нуклеотидів.
2. Участь у метаболічних реакціях у ролі коферментів, зокрема:
- НАД, НАДФ, ФАД, ФМН — у реакціях біологічного окислення;
- УТФ, УДФ — у реакціях біосинтезу глікогену;
- ЦТФ, ЦДФ — у біосинтезі гліцерофосфоліпідів.
3. Нуклеїнові кислоти. Загальна характеристика ДНК та РНК, їх біологічне
значення в збереженні та передачі генетичної інформації.
Нуклеїнові кислоти – складні високомолекулярні біополімери, мономерами яких є нуклеотиди. Виявлені швейцарським хіміком Ф. Мішером у складі ядер лейкоцитів у 1869 році.
Зустрічаються два типи нуклеїнових кислот: дезоксирибонуклеїнова (ДНК) і рибонуклеїнова (РНК). Це найбільш високомолекулярні речовини у клітині, їх маса – від 10 000 до
декількох мільйонів (наприклад, ДНК бактерій 2 × 109). Молекулярна маса ДНК у декілька сот разів перевищує масу РНК.
Нуклеїнові кислоти – це полімери, які складаються з мономерних одиниць – нуклеотидів. Нуклеотиди сполучаються між собою в полінуклеотидні ланцюги за допомогою міцних
ковалентних фосфодиефірних зв'язків. Фізичні властивості нуклеїнових кислот, як у типових полімерів: здебільшого розчинні у воді та розчинах солей, здатні до утворення гелів, в'язких
розчинів, повільної дифузії тощо. Властивості нуклеїнових кислот визначаються співвідношенням і послідовністю розташування нуклеотидів та просторовою структурою макромолекул.
Утворюються НК шляхом полімеризації з нуклеотидів, а розщеплюються з утворенням нуклеотидів завдяки реакціям гідролізу.
Для нуклеїнових кислот характерні реакції матричного синтезу, які забезпечують їх утворення та функціонування. Вони здатні взаємодіяти з іншими біополімерами й утворювати
інтерполімерні комплекси з білками, які називаються нуклеопротеїдами. Молекули НК можуть мати первинну, вторинну і третинну структуру, що обумовлює такі властивості,
як денатурація і ренатурація. Природні нуклеїнові кислоти – ДНК і РНК – виконують у всіх живих організмах роль збереження, передачі і реалізації генетичної інформації.
Особливості будови, структура, властивості та
значення ДНК
Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) – один із двох типів природних нуклеїнових кислот, мономерами яких є дезоксирибонуклеотиди.
Місце розташування. У клітинах еукаріотів ДНК знаходиться в ядрі клітини в складі хромосом, а також в мітохондріях і пластидах.
У клітинах прокаріотів кільцева або лінійна молекула ДНК нуклеоїда знаходиться в цитоплазмі і прикріплена зсередини до клітинної мембрани. У прокаріот і еукаріот також
зустрічаються невеликі автономні кільцеві молекули ДНК, які називаються плазмі дами. Крім того, одно- або дволанцюжкові молекули ДНК можуть утворювати геном ДНК-вірусів.
Будова. ДНК складається з дезоксирибонуклеотидів, в утворенні яких беруть участь азотисті основи аденін, тимін, гуанін і цитозин, моносахарид дезоксирибоза і залишки фосфорної
кислоти. У побудові ДНК беруть участь 4 типи дезоксирибонуклеотидів:
аденілові, тимідилові, гуанілові і цитидилові Фосфодиефірні зв'язки між цими нуклеотидами в полінуклеотидному ланцюжку утворюються за рахунок дезоксирибози і фосфатної
групи. Нуклеотиди різних ланцюгів у молекулах ДНК з'єднуються між собою за допомогою водневих зв'язків на основі принципу комплементарності (А = Т, Г = Ц). Аденін одного
ланцюга з'єднується з тиміном іншого ланцюга двома водневими зв'язками, а гуанін з цитозином – трьома. Два полінуклеотидиних ланцюги ДНК антипаралельні. Напрями від 3'-кінця
до 5'-кінця в двох ланцюжках, з яких складається молекула ДНК, протилежні. Генетична інформація записана послідовністю нуклеотидів у напрямку від 5'-кінця до 3'-кінця і цей
ланцюг називається матричним. Другий ланцюг із напрямком від З'-кінця до 5-кінця не містить інформації і набуває значення у процесах реплікації та репарації.
Американський вчений Е. Чаргафф разом зі своїми колегами виявив певні закономірності кількісного вмісту нуклеотидів у молекулі ДНК, які отримали назву правил Чаргаффа. Ось
деякі з них:



• кількість аденінових залишків у будь-якій молекулі ДНК дорівнює числу тимінових (А – Т), а гуанінових – кількості цитозинових (Г–Ц);
• сума аденінових і гуанінових залишків дорівнює сумі тимінових і цитозинових (А+Г =Т+Ц);
• відношення суми молярних концентрацій Г+Ц до суми молярних концентрацій А + Т у різних видів значно змінюється: Г+Ц/А + Т названо коефіцієнтом
специфічності. Для бактерій він дорівнює 0,45 -2,8, для вищих рослин, тварин і людини – 0,45-0,94.
Структура. Дослідження Е. Чаргаффа сприяли з'ясуванню просторової структури ДНК. У 1953 році було запропоновано модель просторової структури, що стало одним з
поворотних моментів в історії біології. Згідно з цією моделлю молекула ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, сполучених між собою водневими зв'язками з чіткою
відповідністю нуклеотидів у двох ланцюгах ДНК, тобто комплементарніспю. За видатний внесок у це відкриття Ф. Кріку, Дж. Уотсону і М. Вілкінсу була присуджена Нобелівська премія
з фізіології і медицини (1962). У переважній більшості випадків (крім вірусів з одноланцюжковими ДНК) макромолекула ДНК складається з двох ланцюжків (первинна структура),
орієнтованих азотистими основами один проти одного і закручених у спіраль. У цілому структура молекули ДНК отримала назву "подвійної спіралі" (вторинна структура). У природі
ця спіраль, зазвичай, правозакручена. Відстань між сусідніми нуклеотидами в ланцюгу становить 0,34 нм, крок спіралі дорівнює 3,4 нм і містить 10 пар основ, а діаметр спіралі – 2 нм. У
стані подвійної спіралі ДНК все таки має велику довжину, тому вона зазнає подальшого просторового ущільнення, формуючи третинну структуру – суперспіраль. Ця структура
виникає у хромосомах еукаріотичних організмів після багаторазового згортання –
Джеймс Уотсон (1928)
компактизації – за участю білків гістонів. Гістони – основні білки ядра, що відіграють ключову роль в упакуванні та стабілізації структури ДНК. У вірусів, прокаріот ДНК не
сполучається з білками і має кільцеву структуру.
Структура
Тривіальна назва
Зв'язки
Первинна
Ланцюг
Фосфодиефірні між нуклеотидами одного ланцюга
Вторинна
Подвійна спіраль
Водневі зв'язки між нуклеотидами різний ланцюгів, гідрофобні зв'язки між витками спіралі
Третинна
Суперспіраль
Іонні, гідрофобні, вандерваальсові зв'язки між частинами макромолекули.
Властивості. Основними властивостями ДНК є:
■ антипаралельність ланцюгів (один ланцюг – 5'-3', а другий – 3'-5');
■ здатність до денатурації (втрата молекулою ДНК спіральної структури внаслідок розриву водневих зв'язків між комплементарними азотистими основами)
і ренотурації (відновлення двоспіральної с/руктури завдяки встановленню водневих зв'язків між комплементарними азотистими основами);
■ стабільність – за рахунок нековалентних зв'язків між комплементарними основами;
■ здатність до реплікації (самовідтворення) та репарації (від англ. DNA repair – "ремонт ДНК") – сукупність процесів, за допомогою яких клітина знаходить і виправляє пошкодження
молекул ДНК).
Біологічне значення. ДНК є носієм генетичної інформації, записаної у вигляді нуклеотидної послідовності за допомогою генетичного коду. З молекулами ДНК пов'язані дві
основоположні властивості живих організмів – спадковість і мінливість. У ході процесу, що називається реплікацією ДНК, утворюються дві копії початкового ланцюжка, які
успадковуються дочірніми клітинами при поділі. Клітини, що утворилися таким чином, будуть генетично ідентичними. Генетична інформація, потрібна для життєдіяльності клітини,
зчитується при експресії генів (процес, при якому спадкова інформація генів використовується для синтезу білка або РНК). У більшості випадків вона використовується для біосинтезу
білків у процесах транскрипції (синтезу молекул РНК на матриці ДНК) і трансляції (синтезу білків на матриці РНК).
4. Особливості первинної структури ДНК та РНК. Зв’язки, що утворюють
первинну структуру нуклеїнових кислот.
Первинна структура нуклеїнових кислот
Як уже зазначалося, всі класи нуклеїнових кислот (ДНК та РНК) є високомолекулярними сполуками, основою первинної
структури яких є полінуклеотидний ланцюг, побудований із мономерів — нуклеотидів.
Окремі нуклеотиди сполучаються між собою в полінуклеотидний ланцюг за рахунок фосфодіефірних зв’язків, що
утворюються між 3'- та 5'-гідроксильними групами пентоз (рибоз або дезоксирибоз) сусідніх нуклеотидів.
При схематичному зображенні полінуклеотидних ланцюгів ДНК та РНК пентози позначають вертикальними лініями,
3'-, 5'-фосфодіефірні зв’язки — похилими лініями з буквою Ф (P) посередині.
Цей самий ланцюг можна подати такою системою скорочених позначень:
фАфУфГфЦфАфТфУ
Відмінності в первинній структурі ДНК та РНК:
1. До складу нуклеотидів ДНК входить цукор 2'-дезоксирибоза, замість рибози в складі нуклеотидів РНК.
2. Нуклеотиди ДНК та РНК відрізняються за складом піримідинових основ:
- у ДНК міститься піримідин тимін (5-метилурацил);
- у РНК міститься піримідин урацил (замість тиміну).
3. Первинна структура ДНК та РНК відрізняється за наявністю деяких мінорних нуклеотидів.
4. Певні класи ДНК та РНК мають специфічні для них послідовності нуклеотидів, що визначають їх біологічні функції.
Таблиця 3.2. Особливості первинної структури ДНК та РНК
Нуклеїнові
Пентози
кислоти
Азотисті основи
пурини піримідини
ДНК
2'-
аденін, цитозин,
дезоксирибоза гуанін
РНК
рибоза
тимін
аденін, цитозин,
гуанін
урацил
Полярність полінуклеотидів
У полінуклеотидному ланцюзі ДНК або РНК виділяють два кінця: 5'-кінець, тобто той, що містить вільний (не
зв’язаний із черговим нуклеотидом) 5'-гідроксил пентози, та 3'-кінець — той, що містить вільний (не зв’язаний із
нуклеотидом) 3'-гідроксил пентози. У природних нуклеїнових кислотах 5'-кінець (5'-гідроксил кінцевої рибози або
дезоксирибози) звичайно фосфорильований, 3'-кінець містить вільну ОН-групу. Прийнято вважати, що така
нуклеїнова кислота полярна і має напрямок ланцюга
5. Вторинна структура ДНК, роль водневих зв'язків в її утворенні (правила
Чаргафа, модель Уотсона-Кріка), антипаралельність ланцюгів.
6. Третинна структура ДНК. Фізико-хімічні властивості ДНК: взаємодія ДНК з
катіонними лігандами, утворення нуклеосом.
7. Молекулярна організація ядерного хроматину еукаріотів: нуклеосомна
організація; гістони та негістонові білки.
8. Будова, властивості й біологічні функції РНК. Типи РНК: мРНК, тРНК,
рРНК. Особливості структурної організацїї різних типів РНК.
9. Нуклеопротеїни: будова, біологічні функції.
10. Біохімічний склад, будова та функції біологічних мембран.
11. Компартменталізація біохімічних процесів в клітинах.
12. Роль ліпідів у побудові біологічних мембран. Рідинно-мозаїчна модель біомембран.
13. Біосинтез пуринових нуклеотидів: cхема реакцій синтезу ІМФ; утворення
АМФ та ГМФ; механізми регуляції.
14. Біосинтез піримідинових нуклеотидів: схема реакцій; регуляція синтезу.
15. Біосинтез дезоксирибонуклеотидів.
Утворення тимідилових нуклеотидів;
інгібітори біосинтезу дТМФ як протипухлинні засоби.
16. Катаболізм пуринових нуклеотидів; спадкові порушення обміну сечової
кислоти.
17. Схема катаболізму піримідинових нуклеотидів.
18. Реплікація ДНК:
біологічне значення; напівконсервативний механізм
реплікації.
19. Послідовність етапів та ферменти реплікації ДНК у прокаріотів та еукаріотів.
20. Транскрипція РНК: РНК-полімерази прокаріотів та еукаріотів, сигнали
транскрипції (промоторні, ініціаторні та термінаторні ділянки генома).
21. Процесинг - посттранскрипційна модифікація новосинтезованих мРНК.
22. Генетичний (біологічний) код; триплетна структура коду, його властивості.
23. Транспортні – тРНК та активація амінокислот. Аміноацил-тРНК-синтетази.
24. Етапи та механізми трансляції (біосинтезу білка) в рибосомах: ініціація,
елонгація та термінація.